具有熱變色層的光學數據載體的製作方法
2023-10-28 07:21:27 1
專利名稱：具有熱變色層的光學數據載體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括熱變色層的光學數據載體，該熱變色層包括介電轉變材料和嵌入在所述轉變材料中的金屬納米粒子，所述金屬納米粒子吸收施加於所述光學數據載體的至少一部分輻照，所述輻照用於從所述光學數據載體讀出數據和/或在所述光學數據載體上記錄數據。本發明進一步涉及一種用於製造所述光學數據載體的光學母盤(optical master)，所述光學母盤包括這種熱變色層。
背景技術：
出於各種目的已經建議在光學記錄中使用熱變色材料，所述目的如提高靈敏度或者用於多層光學記錄，提高靈敏度使記錄光點的尺寸最小，這提供了在光學記錄中的更高密度的可能性。
將光點的尺寸限制於與所用輻照的波長有關的最小尺寸。但是，通過利用光點的強度在其中心比在其外部更大的這一優點能夠得到甚至更小的記錄光點。
為了能夠在多層光學記錄媒體上寫入或者從多層光學記錄媒體讀取，必需使該多層光學記錄媒體具有很高的透射。而且，通過提供例如吸收必須使不同層之間的串擾最小，所述吸收是光強度的非線性函數。換句話說，在低強度處，吸收率基本上在可忽略的程度上保持恆定，而在閾強度之上，該層開始吸收更多。這導致該層的加熱，該層的加熱可以進一步增大該層的吸收率並因此導致進一步的加熱。這種效應稱為自動加速。
關於多層光學數據載體和在這種多層光學數據載體中所用的不同熱變色材料的更多細節在WO 2004/023466(PHNL020794)中公開，該文獻在此引入作為參考。
先前描述的熱變色材料一般能夠分成四類，它們是有機化合物、無機化合物、聚合物和溶膠。但是由於與例如穩定性、速度、吸收帶的位置、熱變色效應發生的起始溫度、或者實現熱變色效應的方式有關的這些問題，而使得在光學數據載體中使用上述材料存在一些限制。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種具有熱變色材料的光學數據載體或者一種具有熱變色材料的光學母盤，所述熱變色材料允許選擇吸收帶的位置和熱變色效應發生的溫度，此外其足夠快速和穩定。
為了實現該目的，如在權利要求1中提出了一種光學數據載體，其中所述轉變材料具有在轉變溫度之下的材料特性的第一值，以及在所述轉變溫度之上的所述材料特性的第二值，所述材料特性是所述轉變材料的比容和/或熱膨脹係數，所述第二值高於所述第一值。
此外，如權利要求13中提出了一種用於製造光學數據載體的光學母盤，其中所述轉變材料具有在轉變溫度之下的材料特性的第一值，以及在所述轉變溫度之上的所述材料特性的第二值，所述材料特性是所述轉變材料的比容和/或熱膨脹係數，所述第二值高於所述第一值。
本發明以在納米粒子的吸收與圍繞這些納米粒子的材料或介質的密度之間存在關係的認識為基礎。納米粒子的吸收能夠引起周圍材料的密度變化，而該密度變化對該吸收起作用。這種作用可能再一次導緻密度的進一步改變等等，由此顯示出自加速和非線性的作用。
根據Mie』理論，通過下式給出了對於能夠在容積V中進行等離子體激元吸收的N個粒子的消光係數k，該消光係數對應於這種吸收，所述容積V的尺寸基本上小於將要被吸收的光的波長=18NVm1.52(1+2m)2+22,---(1)]]>其中ε1和ε2代表材料介電函數的實部和虛部，εm代表周圍介質的介電常數，通常假定εm不依賴于波長。至於與金屬納米粒子和一般參考文獻中的納米粒子的光譜性質有關的更多細節記載在由StephanLink 和 Mostafa A. E1-Sayed在J.Phys.Chem.B(1999)，103，8410-8426的「Spectral Propertiesand Relaxiation Dynamics of Surface Plasmon ElectronicOscillations in Gold and Silver Nanodots and Nanorods(在金和銀納米點和納米杆中的表面等離子體激元電子振蕩的光譜性質和鬆弛(relaxiation)動力學)」，該文章在此引入作為參考。
方程式(1)對於尺寸為大約50nm的粒子是有效的。對於更大的粒子，朝向較大波長的移動視為增大的粒子尺寸的函數。
方程式(1)的重要特徵在於消光係數表現出對於周圍材料的介電常數的依賴性。該介電常數與折射率n(n＝εm0.5)有關，至少在不吸收的介質的情況下與密度大致成比例。由於物質的密度與其溫度有關，因此可以調整折射率的精確的溫度依賴性。密度可以由於如通過熱膨脹係數所描述的熱膨脹而改變，或者由於在例如熔化的相變過程中所發生的材料的容積變化而改變。由於相變或者由於吸收施加的輻照而產生熱膨脹所引起的轉變材料的比容增大會導致如方程式(1)所描述的吸收峰值的移動。該移動可能導致所施加的輻照的較高吸收，致使材料被進一步加熱，引起峰值的進一步移動。因此，這種作用可能是自加速。
在光學數據載體的一個實施例中，所述熱變色層進一步包括記錄材料，因此所述熱變色層適合於數據的記錄。如果記錄材料和熱變色材料化合或混合在一起成為一層，那麼熱變色材料的吸收會提高乃至能夠在所述記錄材料中記錄信息和/或使所述信息的讀出質量提高。
在另一個實施例中，所述光學數據載體進一步包括信息層，其中所述熱變色層鄰近所述信息層設置，用以提高所述信息層的讀出質量和/或記錄靈敏度。為了獲得所述改進，所述信息層和所述熱變色層也可以是不同的層。
在光學數據載體的另一個實施例中，所述金屬納米粒子由金、銀和/或鈀製成。由這些金屬製成的納米粒子的生產相當普通，有大量適當的方法來生產所述納米粒子。
在光學數據載體的優選實施例中，所述納米粒子具有300nm或更小的尺寸，優選是100nm或更小。一般來說，當所述納米粒子變得更大時，吸收峰值的波長會移動到更大的波長。但是重要的是，所述納米粒子在其能夠展現出表面等離子體諧振效應的尺寸範圍內，這個效應在單個原子以及在塊(in the bulk)中是不存在的。
在光學數據載體的另一個實施例中，所述熱變色層的厚度在10-2000nm的範圍內，特別是在50-500nm的範圍內，優選在50-100nm的範圍內。
在光學數據載體的另一個實施例中，所述納米粒子在所述熱變色層中的重量分數在2-90％的範圍內，特別是在10-80％的範圍內，優選在50-80％的範圍內。
如果所述熱變色層厚，那麼所述納米粒子的濃度或重量分數可以較低，反之亦然，從而實現所述輻照的適當吸收。可以選擇濃度和厚度從而使該層的最大吸收率在0.1-2的範圍內，優選在1-2的範圍內。
在光學數據載體的又一個實施例中，所述納米粒子由不同金屬的混合物製成和/或具有不同尺寸，用以增大經由所述熱變色層的所述輻照的所述吸收的帶寬。
在光學數據載體的另一個實施例中，所述納米粒子基本上具有盤或杆的形狀，用以增大所述熱變色層的所述輻照的所述吸收的帶寬和/或用以改變所述吸收的峰值的位置。
在光學數據載體的另一個實施例中，所述轉變溫度低於所述數據記錄所需要的溫度。如果熱變色效應在低於記錄的溫度下開始，那麼記錄光點的整個區域可以獲得所述熱變色效應的好處。
在光學數據載體的優選實施例中，所述轉變材料對於所述輻照基本上是不吸收的。這樣，即使當所述輻照穿過多個熱變色層時所述輻照也沒有強度損失。
在光學數據載體的另一個實施例中，所述轉變材料是線性聚合物，特別是聚苯乙烯聚碳酸酯、交聯的丙烯酸酯環氧樹脂，或者形成低質量分子的玻璃。
附圖簡述在下文中，將參照附圖進一步詳細地解釋本發明，在附圖中
圖1示出根據本發明包括熱變色層的光學數據載體的實施例的橫截面，圖2示出根據本發明包括熱變色層的光學數據載體的另一個實施例的橫截面，圖3示出根據本發明的熱變色層的實施例的橫截面，圖4a，4b分別示出用於說明針對玻璃轉變和熔化的情況下的比容對溫度的圖表，
圖5示出用於說明根據本發明的熱變色層處於玻璃轉變溫度之上和之下的吸收率對吸收光的波長的圖表，圖6示出用於說明根據本發明的熱變色層處於熔化溫度之上和之下的吸收率對吸收光的波長的圖表，圖7示出用於說明具有不同尺寸比的根據本發明的熱變色層的吸收率對吸收光的波長的圖表，圖8示出根據本發明的光學母盤的橫截面，以及圖9a，9b示出用於說明光點的強度輪廓和溫度輪廓的圖表。
具體實施例詳述圖1示出根據本發明包括熱變色層4的光學數據載體1的實施例的橫截面。在載體1之上提供用於保護的覆蓋層2，光束3，如雷射束或LED產生的光入射到覆蓋層2上。此後，提供大量熱變色疊層，在該例子中是7個熱變色疊層，每個熱變色疊層都包括單一的熱變色層4。隔離物層5將熱變色疊層分開，因此也將熱變色層4分開，從而光學地和熱地分開鄰近的熱變色層。在最下面的熱變色層4之下提供了例如聚碳酸酯的襯底6。在所說明的實施例中，熱變色層4進一步包括記錄材料，因此這些熱變色層具有記錄層的功能。利用記錄材料可以存儲數據。
圖2示出根據本發明包括熱變色層11的光學數據載體10的另一個實施例的橫截面。圖2中所示的實施例與圖1中所示的實施例相似。區別在於所述光學數據載體進一步包括鄰近所述熱變色層11設置的信息層12。所述熱變色層11可以包括如圖1中所示的另一種記錄材料或者可以不包括所述記錄材料。熱變色層11適合於提高讀出質量和/或所述信息層12的記錄靈敏度。與圖1和2中所示的構造不同的構造也是可能的，特別是如信息層12、熱變色層11和隔離物層5不同的順序。
圖3示出根據本發明的熱變色層20的實施例的橫截面。熱變色層20包括介電熱變色材料，該介電熱變色材料包括轉變材料21和嵌入在所述轉變材料中的金屬納米粒子22。轉變材料21例如是線性聚合物，如聚苯乙烯聚碳酸酯或交聯的丙烯酸酯環氧樹脂。所述轉變材料21的介電常數與其密度有關。此外，該轉變材料至少與所述納米粒子22相比優選對於所述輻照是透明的，即不吸收的。納米粒子22優選由金、銀或鈀製成，但是也可以使用任何其他金屬。由於玻璃轉變和熔化都是快速和可逆的過程，這兩個過程一般不改變其轉變溫度，因此根據本發明的熱變色效應是快速且穩定的。納米粒子22可以具有與圖3中所示的球形不同的另一種形狀，例如下面所述的杆狀或盤狀。
圖4a、4b分別示出用於說明針對玻璃轉變和熔化的情況下的比容對溫度的圖表。以任意單位示出溫度T和容積V。由於熱膨脹，容積V在轉變溫度Tg或Tm之下，以對應於相當小的熱膨脹係數的相當小的斜率增大。超過所述轉變溫度Tg、Tm，所述熱膨脹係數增大，因此容積V以較大的斜率增大。由於圖4b中所示的熔化而在容積V中有一個臺階(step)。在所述轉變溫度Tg、Tm之下或之上，相應的熱膨脹係數不一定是恆定的，但是，在所述轉變溫度Tg、Tm之上的熱膨脹係數應該高於在所述溫度之下的熱膨脹係數。進一步優選的是，有相當大範圍的變化。本發明不限於由於玻璃轉變或如熔化的相變而引起的變化。如果熱膨脹係數沒有變化而僅僅是比容變化，那麼將不會發生自動加速，但是由於熱變色層的吸收率中有明顯移動而使其是非線性的。
圖5示出用於說明根據本發明的熱變色層在玻璃轉變溫度之上和之下的吸收率對吸收光的波長的圖表。表示針對不同溫度的吸收率的曲線根據方程式(1)來計算，並在圖5中示出。在100℃的(玻璃)轉變溫度Tg之下時將熱膨脹係數設置為2x10-4K-1，在該溫度之上時將其變為8x10-4K-1。可以看到，直到周圍介質的(玻璃)轉變溫度Tg為止，吸收帶的位置僅僅顯示出微小的變化。在玻璃轉變溫度之上，其顯示出快速的移位。
圖6示出用於說明根據本發明的熱變色層在熔化溫度之上和之下的吸收率對吸收光的波長的圖表。表示針對不同溫度的吸收率的曲線根據方程式(1)來計算，並在圖6中示出。圖4b中示意性示出了熱膨脹係數的變化。在圖6中可以看到，直到熔化溫度為止，吸收帶的位置僅僅顯示出微小的變化，而在熔化溫度之上，首先有相當大的跳躍，隨後是朝向較短波長的快速移位。
圖4a、4b、5和6表明，通過調整比容的溫度依賴性，可以獲得所希望的熱變色性能。例如，如能夠從圖5中看到的，在20℃時對於405nm的波長有非常小的吸收率，因此需要非常高的強度來吸收足夠數量的能量，以加熱該熱變色材料。如果該強度足夠高從而將熱變色材料加熱到高於轉變溫度Tg的溫度，那麼吸收率將顯著增大，因此將進一步加熱該材料以導致更高的吸收率。自動加速被限制於強度足夠高以達到轉變溫度的區域，換句話說，被限制於強度在某一閾值之上的區域。
根據圖5和6可以看到，帶的尺寸或帶寬相當小。加寬帶寬的一種方法是通過利用各種尺寸的納米粒子22或者將兩種或多種金屬製成的粒子22混合。如上所述，較大的納米粒子22展現出在較大波長的吸收率。將不同尺寸的納米粒子22混合允許將與不同尺寸有關的不同吸收率組合併因此實現較大的帶寬。也可以將不同金屬的粒子混合。按照這種方式也可以增大帶寬。
用於製造譜帶加寬器或增大吸收的另一種方法是使用杆狀或盤狀的粒子。根據Gans理論，由下面的方程式給出容積V的N個粒子的消光係數k=2NVm1.53j(1/Pj2)2(1+1-PjPj)2m+22---(2)]]>Pj值是納米杆的三個軸A、B和C的去極化因數，尺寸為A＞B＝C，所述Pj值可以通過下面的方程式來描述PA=1-e2e2[12eln(1+e1-e)-1].---(3)]]>PB=Pc=1-Pa2---(4)]]>
e=1-(BA)2=1-(1R)2---(5)]]>R＝A/B。圖7示出用於說明利用上述方程式所計算的具有不同尺寸比的根據本發明的熱變色層的吸收率比吸收光的波長的圖表。從圖7中可以看到，通過利用如杆或盤的圓柱形的納米粒子22，可以增大帶寬(參見圖7中的R＝1.2)以及改變吸收帶的位置。
圖8示出根據本發明的光學母盤30的橫截面，所述光學母盤包括襯底31和熱變色層32。輻照光束33聚焦到所述熱變色層並因此在其上形成光點，光點的尺寸如R所表示的，所述輻照光束例如雷射。所述熱變色層可以包括光敏材料，如通常用於光學母盤的材料，例如UV可固化樹脂，用以製造凹坑和凸區的軌道。還可能的是，為此目的而提供另一層所述光敏材料。所述光點可以展現出如圖9a中示意性示出的強度分布，其可以導致如圖9b中所示的溫度分布。通過使用根據本發明的熱變色層，可以通過選擇適當的轉變溫度來提高對溫度的靈敏度，從而獲得具有用X所表示的尺寸的記錄光點，該記錄光點的尺寸小於光點的尺寸。這樣，所形成的凸區或凹坑可以小於所述光點。此外，由於僅是圖9b中所示的高於選定的轉變溫度輪廓的那部分溫度輪廓產生所述記錄光點，因此該記錄光點有輪廓分明的邊界。
本發明提出了一種光學數據載體和一種用於製造光學數據載體的光學母盤，它們都包括熱變色層，其中能夠將例如吸收率的帶寬和吸收率的帶的位置的熱變色層的性質調整到所希望的值並調整到熱變色效應將開始的起始溫度。該熱變色效應本身是快速和穩定的。
密度的變化引起折射率的變化，而折射率的變化又依次導致吸收的變化。在轉變溫度之上，吸收的變化變得更強烈，並且一旦光被吸收就會發生熱變色效應。升高溫度有助於增大體積膨脹，因此可以發生自動加速。但是體積減少也可能產生相同的影響。
權利要求
1.一種光學數據載體(1，10)，其包括熱變色層(4，11，20)，該熱變色層包括介電轉變材料(21)和嵌入在所述轉變材料(21)中的金屬納米粒子(22)，該金屬納米粒子用於吸收施加於所述光學數據載體(1，10)的至少一部分輻照(3)，所述輻照用於從所述光學數據載體(1，10)讀出數據和/或在所述光學數據載體(1，10)上記錄數據，其特徵在於所述轉變材料(21)具有在轉變溫度(Tg，Tm)之下的材料特性的第一值，以及在所述轉變溫度(Tg，Tm)之上的所述材料特性的第二值，所述材料特性是所述轉變材料(21)的比容和/或熱膨脹係數，所述第二值高於所述第一值。
2.如權利要求1所述的光學數據載體(1)，其特徵在於所述熱變色層(4)進一步包括記錄材料，因此所述熱變色層適合於數據的記錄。
3.如權利要求1所述的光學數據載體(10)，進一步包括信息層(12)，其中所述熱變色層(11)鄰近所述信息層(12)設置，用以提高所述信息層(12)的讀出質量和/或記錄靈敏度。
4.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述金屬納米粒子(22)由金、銀和/或鈀製成。
5.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述納米粒子(22)具有300nm或更小的尺寸，優選是100nm或更小。
6.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述熱變色層的厚度在10-2000nm的範圍內，特別是在50-500nm的範圍內，優選在50-100nm的範圍內。
7.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述納米粒子(22)在所述熱變色層(4，11，20)中的重量分數在2-90％的範圍內，特別是在10-80％的範圍內，優選在50-80％的範圍內。
8.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述納米粒子(22)由不同金屬的混合物製成和/或具有不同尺寸，用以增大經由所述熱變色層(4，11，20)的所述輻照(3)的所述吸收的帶寬。
9.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述納米粒子(22)基本上具有盤或杆的形狀，用以增大所述熱變色層(4，11，20)的所述輻照(3)的所述吸收的帶寬，和/或改變所述吸收的峰值的位置。
10.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述轉變溫度(Tg，Tm)低於所述數據記錄所需要的溫度。
11.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述轉變材料(21)對於所述輻照(3)基本上是不吸收的。
12.如權利要求1所述的光學數據載體(1，10)，其特徵在於所述轉變材料(21)是線性聚合物，特別是聚苯乙烯聚碳酸酯、交聯的丙烯酸酯環氧樹脂，或者形成低質量分子的玻璃。
13.一種用於製造光學數據載體的光學母盤(30)，所述光學母盤包括熱變色層(20，32)，該熱變色層包括介電轉變材料(21)和嵌入在所述轉變材料(21)中的金屬納米粒子(22)，該金屬納米粒子用於吸收施加於所述光學母盤(30)的至少一部分輻照(33)，所述輻照用於在所述光學母盤(30)上記錄數據，其特徵在於，所述轉變材料(21)具有在轉變溫度(Tg，Tm)之下的材料特性的第一值，以及在所述轉變溫度(Tg，Tm)之上的所述材料特性的第二值，所述材料特性是所述轉變材料(21)的比容和/或熱膨脹係數，所述第二值高於所述第一值。
全文摘要
本發明涉及一種光學數據載體(1，10)，其包括熱變色層(4，11，20)，該熱變色層包括介電轉變材料(21)和嵌入在所述轉變材料(21)中的金屬納米粒子(22)，該金屬納米粒子用於吸收施加於所述光學數據載體(1，10)的至少一部分輻照(3)，所述輻照用於從所述光學數據載體(1，10)讀出數據和/或在所述光學數據載體(1，10)上記錄數據。本發明進一步涉及一種用於製造光學數據載體的光學母盤(30)，其包括這種熱變色層(20，32)。為了向光學數據載體(1，10)或光學母盤(30)提供熱變色材料，其允許選擇吸收帶的位置、發生熱變色效應的溫度且其足夠快速和穩定，提出了使所述轉變材料(21)具有在轉變溫度(Tg，Tm)之下的材料特性的第一值，以及在所述轉變溫度(Tg，Tm)之上的所述材料特性的第二值，所述材料特性是所述轉變材料(21)的比容和/或熱膨脹係數，所述第二值高於所述第一值。
文檔編號G11B7/253GK101015009SQ200580030044
公開日2007年8月8日 申請日期2005年8月30日 優先權日2004年9月7日
發明者R·A·M·希克默特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司