吴俊辉同学在全息存储材料研究中取得新进展
全息存储对于光栅信息的读取所需具备的布拉格条件有着极为严格的要求，这使得在材料同一位置能够存储多幅全息图。因此，在体全息数据存储的实际应用中，对存储材料提出了较高要求：一方面，材料需要具备一定的厚度（通常达到毫米级别），以确保能够产生容限更为严格的布拉格条件，容纳多幅全息图的存储；另一方面，材料的基体结构必须稳定，从而避免在曝光过程中因材料发生严重体积收缩而导致全息信息读取时出现布拉格失配，进而造成信息读取失败的情况。目前，以菲醌为光引发剂掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）材料的研究较为深入。 |
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| 图1. 同轴全息存储系统示意图 |
虽然目前已经可以将 PQ/PMMA 材料制备成全息存储光盘（HOD），但是在存储速度和稳定性上还有较大提升空间。由于基底的限制，传统 PQ/PMMA 材料在成型和物理性质上还没有一个良好的表现。这主要体现在存储介质对信息记录时的速度以及不同位置的记录效果一致性欠佳，在样机系统上，即使伺服电机的转速只为 1 转每秒，理想情况下在光盘的一个半径上每个位置记录的时间仅仅只有 1/Npoint 秒（图1，Npoint 为记录的全息数据图的数量），这极短的时间对存储材料的光敏感性有较大的要求，因此，传统 PQ/PMMA 材料的光敏感性难以满足伺服同轴系统的存储要求，所以研究更高灵敏度的全息存储材料对同轴全息存储技术的发展及应用具有一定的价值与意义。 |
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| 图2. (a) 不同材料基质的热重分析结果；(b) 不同材料基质的微分热重分析结果； (c) 不同材料基质的玻璃化转变温度对比 |
本文在先前交联基底的研究基础上，引入交联 PMMA 网络并添加季戊四醇四-3-巯基丙酸酯（PETMP），以实现光反应阶段的 Thiol-ene 低活化快速反应。同时硫醇所具有的阻聚功起到了高分子链转移剂的功能，在一定程度上增加了基底 PMMA 热固化后的剩余单体含量以供光反应使用且交联基底的形成使得材料的热学参数没用下降（图2），通过这些调控，实现了较快速度记录下全息光栅的目的。加入的 PETMP 在 PQ 的引发下与体系中剩余单体发生反马氏加成反应，能够形成稳定的 C-S-C 键如图4(c) 所示。 |
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| 图3. (a) 敏化后材料光化学阶段（~700–800 cm-1）拉曼光谱的变化， (b) （~500–600 cm-1）拉曼光谱的变化；(c) 光化学阶段可能发生的几种反应 （①：硫醇与烯烃的反应，②：硫醇与自身的反应，③：硫醇与不饱和羰基化合物的反应） |
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| 图4. (a) 在未添加烯烃的情况下，光化学阶段的傅里叶变换红外光谱对比；(b) 光化学阶段 未添加烯烃时的核磁共振氢谱图；(c) 增敏改性光化学阶段之后核磁共振氢谱中的变化 |
除此之外PETMP分子具有较高的极性（表1），加入后也能够增加光引发剂的溶解度，PQ/PMMA体系的感光性完全来自于PQ，使其充分溶解能更好的发挥在全息曝光时的作用（图5）。 |
表1. 原材料的偶极矩对比及在水中模拟的溶解能对比（越负说明极性越大） |
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| 图5. 在低温条件下浓度一致的 PQ 溶解情况对比（左侧溶液为原始溶液， 右侧溶液为添加了PETMP的溶液；低温为4℃） |
最终，新产生的聚合物基底结构将 PQ/PMMA 材料的光敏聚合物的灵敏度提高了 ~4 倍，从 ~0.55 cm·J-1 提高到 ~2.54 cm·J-1，比原始 PQ/PMMA 快四倍以上。同时，通过拟合分析发现材料的响应时间 τ 从 ~70.93s 降低到 ~7.57s，也进一步验证了感光灵敏度的提升，同时材料的光致收缩依旧能够保持在 6‰（图6），我们获得了一种既有高感光性又低收缩的聚合物合成策略。最终，本研究提出的 Thiol-ene-PQ/PMMA 材料成功缩短了信息记录所需的时间，在全息存储系统中成功将单幅全息数据页在低于 1% 的误码率的条件下，记录时间缩短到 1s，且不同位置性能表现基本一致（图7）。 |
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| 图6. (a) 不同材料的衍射效率演变曲线的构建；(b) 饱和衍射效率与光敏性的比较； (c) 光诱导的收缩导致的偏移对比（全息图是在 10° 角下记录的） |
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| 图7. (a) 在 5s 记录时间内读取的全息数据页的灰度值（亮度）对比； （b）在 1s 内材料 20 个不同位置记录数据页的误码率分布 |
本研究采用实验和理论模拟相结合的方法，对敏感化PQ/PMMA光聚合物的微观机理进行了研究，其大致可以用图8进行表示。我们的研究结果表明，Thiol-ene-PQ/PMMA材料提高了记录速度且不牺牲基底的稳定性，这将推动未来快速全息存储的发展，满足伺服同轴全息存储系统的要求，将有利于拓宽全息光存储的应用场景。 |
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| 图8. 敏感性提升 Thiol-ene-PQ/PMMA 材料图形机理摘要 |
上述研究成果以“Highly photosensitive phenanthrenequinone-doped poly(methyl methacrylate) photopolymers in big data”为题，发表在爱思唯尔（Elsevier BV）主办的英文期刊《Materials Today Communications》，Vol.52，115025（2026）上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2026.115025 |
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(2026.03.18)
