彭林同学在全息存储材料研究中取得新进展
全息存储技术由于其 Bragg 选择性带来的独特复用方式，是公认为的下一代数据存储技术，能够在三维空间内存储数据、存储容量大、具有读写并行的能力，可实现高速数据传输。然而，其实际应用尚受限于衍射效率、感光灵敏度及抗老化性能等关键指标的进一步提升需求。为了解决这些问题，彭林等人提出了一种简单便捷、低成本的策略，以乙烯基吡咯烷酮（NVP）为共聚单体，通过精准调控掺杂比例，系统探究不同 NVP 掺杂浓度对 NVP-PQ/PMMA 材料全息性能的影响机制。 如图1(a) 所示，随着NVP掺杂浓度的增加，材料衍射效率呈现显著提升趋势，当掺杂浓度达到0.20wt%时，衍射效率从10.1%提升至19.5%，相对增幅达9.4%。在感光灵敏度方面（图1b），0.20wt%掺杂样品达到了 1.18 cm J-1 的优异性能，较未掺杂 0.00wt% 样品（0.43 cm J-1）提升了 1.74 倍。基于耦合波理论计算得到的折射率调制度（Δn）结果（图1(c)）显示，0.00wt% 样品的 Δn 值为 0.9×10-5，而 0.20wt% 掺杂样品的 Δn 值显著提高至 1.7×10-5。不同掺杂浓度的光致皱缩偏移角如图1(d) 所示。根据体积收缩率公式分别计算得出 0.00wt% 和 0.10wt% 掺杂材料体积收缩率为 0.38％ 和 0.24％。由此可见，光致皱缩效应降低了 37％。结果如图1(e)，当 NVP 掺杂浓度为 0.10wt% 时，其衍射效率方差为 1.84，而 0.00wt% 的 PQ/PMMA 方差为 2.97，所以材料均匀性提升了 38%。这些结果充分证明了 NVP 掺杂在提升 PQ/PMMA 全息存储材料综合性能方面的显著效果。 |
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| 图1. 不同 NVP 掺杂浓度的 (a) 衍射效率、(b) 感光灵敏度、(c) 折射率调制度、 (d) 光致皱缩偏移角和 (e ) 均匀性 |
为了验证 NVP 单体在热聚合反应过程中起的作用，明白 NVP 增强 PQ/PMMA 光致聚合物全息性能的微观机制。测试了不同掺杂浓度 NVP-PQ/PMMA 材料的多种表征实验，结果如图2(a-d) 所示。 测定 NVP-PQ/PMMA 材料的 UV-Vis 吸收光谱，结果如图2(a)。不同掺杂浓度样品的吸收系数曲线整体保持一致，可以得出引入 NVP 单体不会对原材料的光吸收造成明显影响。因此本实验为了避免材料受到过度光吸收的影响，选择具有低吸收系数的绿色激光器作为泵浦光。进一步测量了不同 NVP 浓度下材料的傅里叶变换红外光谱（FT-IR），结果如图2(b) 所示, 与 0.00 wt% 材料相比，引入不同掺杂浓度的 NVP，其特征透射谱没有出现新的峰，也没有发生明显的变化，即可说明 NVP 单体在热反应阶段没有与 PMMA 链发生反应，从而为后续在光反应阶段与光敏剂 PQ 发生反应生成光产物提供了基础。测试了具有不同掺杂浓度 NVP-PQ/PMMA 的 GPC 洗脱曲线（图2(c)），随着材料掺杂浓度的增加，PMMA 高聚物分子体积逐渐减小。在相同反应条件下，PMMA 聚合物的分子量减小导致体系中残留更多的 MMA 单体，而 PQ/MMA 的结合能小于 PQ/PMMA，进而在后续光反应阶段更多更快的生成 PQ/MMA 光产物。这一过程显著提升了体系的响应速度，并增强了全息性能中的感光灵敏度。同时，使用热重分析（TGA）实验进一步验证不同掺杂浓度的 NVP-PQ/PMMA 的微观反应机理。从 TGA 曲线可以看出（图2(d)），当 NVP 浓度从 0.00wt% 增加到 0.20 wt% 时，第一阶段降解的初始温度从 111.6℃ 降低到 76.6℃，这一阶段主要是 MMA 小分子的挥发，第二阶段降解的初始温度从 234.1℃ 逐渐增加到 280.8℃，这一阶段主要是 PMMA 大分子高聚物的热解，说明引入 NVP 单体使 PMMA 大分子聚合物不易分解，热稳定性明显增高，从而增强抗老化性。 |
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| 图2. 不同NVP掺杂浓度的 (a) UV-Vis吸收光谱、(b) 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、 (c) GPC洗脱曲线和 (d) 热重分析（TGA） |
同轴全息数据存储系统作为一种具备更高紧凑性和兼容性的全息数据存储系统，制作不同掺杂浓度的 50 mm×50 mm×0.5 mm 带有反射镜的 NVP-PQ/PMMA 黄色薄片材料，采用间隔 5s 多次记录多次读取的方式在同轴全息数据存储系统上测试。如图3 所示是不同掺杂浓度的 NVP-PQ/PMMA 的实验结果 |
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| 图3. 在同轴全息存储系统曝光150 s后，从掺杂浓度分别为 (a) 0.00wt%、(b) 0.05wt%、 (c) 0.10wt%、(d) 0.15wt% 和 (e) 0.20wt% 的 NVP-PQ/PMMA 材料读出的图像 |
通常用误码率（BER）和信噪比（SNR）来评价再现图像的质量，结果如图4(a-b) 所示， 0.15wt% 样品的误码率最低大约为0.06%（相比 0.00 wt% 的最低误码率 0.25% 降低了 76%）。从图4(b) 中可以看出，0.15wt% 的材料有着最高的信噪比大约为4.16（相比于 0.00 wt% 的信噪比 3.02 提高了 38%）。 |
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| 图4. 评价同轴全息存储系统图像质量的两个参数：记录不同浓度 NVP-PQ/PMMA 随时间变化的 (a) 误码率和 (b) 信噪比的结果 |
将不同掺杂浓度的透射式 NVP- PQ/PMMA 样品分别放置于强度全息衍射特性测试装置中，对每个样品进行光栅的记录与读取，结果如图5 所示。 |
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| 图5.不同浓度NVP-PQ/PMMA在 (a) 70℃、(b) 75℃、(c) 78℃ 老化下的归一化衍射效率 |
在不同温度下老化均出现随着 NVP- PQ/PMMA 掺杂浓度的增加，衍射强度衰减值逐渐减小；老化温度越高，同种掺杂浓度的材料衍射强度衰减值越大；随着老化时间的增加，材料内部光栅强度下降的速率由快变慢的规律。由此可见，在 PQ/PMMA 体系中引入 NVP 单体能增强抗老化性，且 0.20wt% 的 NVP- PQ/PMMA 抗老化性最强。这也与 TGA 实验结果相吻合。当 NVP 浓度增加时，提高了第二阶段降解温度，使 PMMA 大分子聚合物不易分解，从而增强抗老化性。在实际应用中，可根据不同全息性能需求选择最优化的 NVP 掺杂浓度。此外，本研究结合多种微观表征技术深入探讨了 NVP 改性提升全息性能的微观机制。具有特定结构的掺杂单体带来的光学性能提升，为 PQ/PMMA 光致聚合物材料的进一步功能化设计提供了理论依据，并拓展了其在高速全息数据存储领域的应用潜力。 |
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上述研究成果以“Impact of NVP Doping on the Holographic Properties of PQ/PMMA Holographic Storage Materials”为题，发表在多学科数字出版机构（Multidisciplinary Digital Publishing Institute）主办的英文期刊《Polymers》, Vol.17, No.17, 2321(17p) (2025)上。
论文的相关链接：https://doi.org/10.3390/polym17172321 |
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(2025.08.27)
