#disco óptico

[aprendendobio]

QUESTÃO ENEM RESOLVIDA: FISIOLOGIA | CONES E BASTONETES

Resolução da questão ENEM/2022 sobre cones e bastonetes.

No processo de captação da luz pelo olho para a formação de imagens estão envolvidas duas estruturas celulares: os cones e os bastonetes. Os cones são sensíveis à energia dos fótons, e os bastonetes, à quantidade de fótons incidentes. A energia dos fótons que compõem os raios luminosos está associada à sua frequência, e a intensidade, ao número de fótons incidentes. Um animal que tem bastonetes…

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[elbiotipo]

Pregunta pq los discos son mas sexys que los cds o pendrives? Es por motivos de durabilidad y calidad o simplemente pq son redonditos y brillantes?

Cuando digo disco no quise decir vinilo quise decir CD, DVD, Bluray, lo que sea disco óptico

Y son infinitamente superiores porque son EL FUTURO en letras grandes y amigables como decía Douglas Adams. Son brillantes, TORNASOLADOS, son circulares (la forma del Futuro), tienen brillos arcoiris, hacen ruidos geniales cuando los leés, vienen en cajas con manualitos, letras de canciones y cosas (o, en todo caso, vos le podés dar tu etiqueta con un fibrón), los podés tener en una elegante cartera, su método de grabado y almacenamiento es un RAYO LASER. Son la forma de almacenamiento perfecta.

Viste en la ciencia ficción donde no saben que nombre ponerle a sus almacenamientos e inventan cosas como holocristales, holotapes, etc? Bueno, tuvimos eso. DE VERDAD. SE LLAMABA CD, DVD, BLURRAY, DISCO ÓPTICO, Y FUE GLORIOSO. Y lo dejamos ir, para qué, por una "nube"?

Algún día nos daremos cuenta de nuestro error.

[legiongamerrd]

#Gamefemerides Hace 21 años se lanzó el Nintendo GameCube. Una consola casera lanzada por @nintendoamerica . Parte de la VI generación, es sucesor del Nintendo 64, y compitió con el @playstation 2 de @sony y el @xbox de @microsoft . El GameCube es la 1era consola de Nintendo en usar discos ópticos como medio principal de almacenamiento. Los discos son de formato miniDVD y el sistema no estaba diseñado para reproducir DVDs normales o CDs de audio. #LegionGamerRD #ElGamingnosune #Videojuegos #Gaming #RetroGaming #RetroGamer #CulturaGaming #CulturaGamer #GamingHistory #HistoriaGaming #GamerDominicano #GamingPodcast #Podcast #SuperMarioSunshine #SuperSmashBrosMelee #TheLegendofZeldaTheWindWaker #TheLegendofZeldaTwilightPrincess #MarioKartDoubleDash #TalesofSymphonia #Pokemon #Nintendo #NintendoGameCube #GCN #GameCube https://www.instagram.com/p/ClGjMy2PnqC/?igshid=NGJjMDIxMWI=

[humanovscomputadora]

Partes Humanas vs Partes Pc (Afiche Digital)

Partes del cuerpo humano Partes de la Pc

Cabeza Monitor

Cerebro CPU

La Mano El Mouse

El cuello El soporte de monitor

Lóbulo Frontal Unidad de disco óptico

Seleccione la palabra "ALT" para ver leyenda de la imagen.

[plantando-e-brincando]

PIÃO COM EFEITOS ÓPTICOS. São 3 discos com 6 efeitos ao todo! Um brinquedo divertido e hipnotizante!

Valor: R$50,00

Enviamos para todo Brasil. Frete sob consulta no nosso site.

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[retrocompmx]

El 14 de septiembre de 2001, Nintendo lanzó la GameCube en Japón, su primera consola con disco óptico.

Fue la sucesora del Nintendo 64 y compitió con PlayStation 2, Xbox y Dreamcast. Destacó por su procesador IBM PowerPC y gráficos de ATI.

Usó discos miniDVD, lo que limitaba su capacidad para reproducir DVD o CD. Además, fue la primera consola de Nintendo en soportar juegos en línea y conectarse con la Game Boy Advance.

Se vendieron 22 millones de unidades antes de ser descontinuada en 2007, reemplazada por la Wii en 2006.

#retrocomputingmx#RetroGaming#nintendo#gamecube#retrogames#retro#efemeridestecnologica

[sassyharmonywombat]

Disco de ruptura, previsión del tamaño del mercado mundial, clasificación y cuota de mercado de las 13 principales empresas

Según el nuevo informe de investigación de mercado “Informe del Mercado Global del Disco de ruptura 2024-2030”, publicado por QYResearch, se prevé que el tamaño del mercado mundial del Disco de ruptura alcance 0.93 mil millones de USD en 2030, con una tasa de crecimiento anual constante del 7.1% durante el período de previsión.

Figure 1. Tamaño del mercado de Disco de ruptura global (US$ Millión), 2019-2030

Figure 2. Clasificación y cuota de mercado de las 13 principales entidades globales de Disco de ruptura (la clasificación se basa en los ingresos de 2023, actualizados continuamente)

Según QYResearch, los principales fabricantes mundiales de Disco de ruptura incluyen BS&B Safety Systems, Continental Disc, Fike, V-TEX, Halma, REMBE, Dalian Duta Technology, Shanghai Hua Li Safety Device, Emerson, Mersen, etc. En 2023, las cinco principales entidades mundiales tenían una cuota de aproximadamente 60.0% en términos de ingresos.

Sobre QYResearch

QYResearch se fundó en California (EE.UU.) en 2007 y es una empresa líder mundial en consultoría e investigación de mercados. Con más de 17 años de experiencia y un equipo de investigación profesional en varias ciudades del mundo, QY Research se centra en la consultoría de gestión, los servicios de bases de datos y seminarios, la consultoría de OPI, la investigación de la cadena industrial y la investigación personalizada para ayudar a nuestros clientes a proporcionar un modelo de ingresos no lineal y hacer que tengan éxito. Gozamos de reconocimiento mundial por nuestra amplia cartera de servicios, nuestra buena ciudadanía corporativa y nuestro firme compromiso con la sostenibilidad. Hasta ahora, hemos colaborado con más de 60.000 clientes en los cinco continentes. Trabajemos estrechamente con usted y construyamos un futuro audaz y mejor.

QYResearch es una empresa de consultoría a gran escala de renombre mundial. La industria cubre varios segmentos de mercado de la cadena de la industria de alta tecnología, que abarca la cadena de la industria de semiconductores (equipos y piezas de semiconductores, materiales semiconductores, circuitos integrados, fundición, embalaje y pruebas, dispositivos discretos, sensores, dispositivos optoelectrónicos), cadena de la industria fotovoltaica (equipos, células, módulos, soportes de materiales auxiliares, inversores, terminales de centrales eléctricas), nueva cadena de la industria del automóvil de energía (baterías y materiales, piezas de automóviles, baterías, motores, control electrónico, semiconductores de automoción, etc.. ), cadena de la industria de la comunicación (equipos de sistemas de comunicación, equipos terminales, componentes electrónicos, front-end de RF, módulos ópticos, 4G/5G/6G, banda ancha, IoT, economía digital, IA), cadena de la industria de materiales avanzados (materiales metálicos, materiales poliméricos, materiales cerámicos, nanomateriales, etc.), cadena de la industria de fabricación de maquinaria (máquinas herramienta CNC, maquinaria de construcción, maquinaria eléctrica, automatización 3C, robots industriales, láser, control industrial, drones), alimentación, bebidas y productos farmacéuticos, equipos médicos, agricultura, etc.

[babyprincegladiator]

Disco de ruptura, previsión del tamaño del mercado mundial, clasificación y cuota de mercado de las 13 principales empresas

Según el nuevo informe de investigación de mercado “Informe del Mercado Global del Disco de ruptura 2024-2030”, publicado por QYResearch, se prevé que el tamaño del mercado mundial del Disco de ruptura alcance 0.93 mil millones de USD en 2030, con una tasa de crecimiento anual constante del 7.1% durante el período de previsión.

Figure 1. Tamaño del mercado de Disco de ruptura global (US$ Millión), 2019-2030

Figure 2. Clasificación y cuota de mercado de las 13 principales entidades globales de Disco de ruptura (la clasificación se basa en los ingresos de 2023, actualizados continuamente)

Según QYResearch, los principales fabricantes mundiales de Disco de ruptura incluyen BS&B Safety Systems, Continental Disc, Fike, V-TEX, Halma, REMBE, Dalian Duta Technology, Shanghai Hua Li Safety Device, Emerson, Mersen, etc. En 2023, las cinco principales entidades mundiales tenían una cuota de aproximadamente 60.0% en términos de ingresos.

Sobre QYResearch

QYResearch se fundó en California (EE.UU.) en 2007 y es una empresa líder mundial en consultoría e investigación de mercados. Con más de 17 años de experiencia y un equipo de investigación profesional en varias ciudades del mundo, QY Research se centra en la consultoría de gestión, los servicios de bases de datos y seminarios, la consultoría de OPI, la investigación de la cadena industrial y la investigación personalizada para ayudar a nuestros clientes a proporcionar un modelo de ingresos no lineal y hacer que tengan éxito. Gozamos de reconocimiento mundial por nuestra amplia cartera de servicios, nuestra buena ciudadanía corporativa y nuestro firme compromiso con la sostenibilidad. Hasta ahora, hemos colaborado con más de 60.000 clientes en los cinco continentes. Trabajemos estrechamente con usted y construyamos un futuro audaz y mejor.

QYResearch es una empresa de consultoría a gran escala de renombre mundial. La industria cubre varios segmentos de mercado de la cadena de la industria de alta tecnología, que abarca la cadena de la industria de semiconductores (equipos y piezas de semiconductores, materiales semiconductores, circuitos integrados, fundición, embalaje y pruebas, dispositivos discretos, sensores, dispositivos optoelectrónicos), cadena de la industria fotovoltaica (equipos, células, módulos, soportes de materiales auxiliares, inversores, terminales de centrales eléctricas), nueva cadena de la industria del automóvil de energía (baterías y materiales, piezas de automóviles, baterías, motores, control electrónico, semiconductores de automoción, etc.. ), cadena de la industria de la comunicación (equipos de sistemas de comunicación, equipos terminales, componentes electrónicos, front-end de RF, módulos ópticos, 4G/5G/6G, banda ancha, IoT, economía digital, IA), cadena de la industria de materiales avanzados (materiales metálicos, materiales poliméricos, materiales cerámicos, nanomateriales, etc.), cadena de la industria de fabricación de maquinaria (máquinas herramienta CNC, maquinaria de construcción, maquinaria eléctrica, automatización 3C, robots industriales, láser, control industrial, drones), alimentación, bebidas y productos farmacéuticos, equipos médicos, agricultura, etc.

[astroimages]

JAMES WEBB REVELA OS SEGREDOS OCULTOS DA FORMAÇÃO DE ESTRELAS

CONSIDERE APOIAR O TRABALHO DO SPACE TODAY, ASSINANDO A PLATAFORMA SPACE TODAY PLUS PREMIUM, POR APENAS R$29,00 POR MÊS, MENOS DE 1 REAL POR DIA!!! https://spacetodayplus.com.br/premium/ Pela primeira vez, um fenômeno que os astrônomos há muito esperavam obter imagens diretas foi capturado pela Câmera Near-InfraRed (NIRCam) do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA. Nesta imagem impressionante da Nebulosa de Serpens, a descoberta situa-se na zona norte desta jovem região de formação estelar próxima. Os astrónomos descobriram um grupo intrigante de fluxos protoestelares, formados quando jactos de gás expelidos de estrelas recém-nascidas colidem com gás e poeira próximos a altas velocidades. Normalmente, esses objetos têm uma variedade de orientações dentro de uma região. Aqui, porém, eles estão todos inclinados na mesma direção, no mesmo grau, como granizo caindo durante uma tempestade. A descoberta destes objetos alinhados, tornada possível apenas pela excelente resolução espacial e sensibilidade de Webb em comprimentos de onda do infravermelho próximo, está a fornecer informações sobre os fundamentos de como as estrelas nascem. Então, como o alinhamento dos jatos estelares se relaciona com a rotação da estrela? À medida que uma nuvem de gás interestelar colapsa sobre si mesma para formar uma estrela, ela gira mais rapidamente. A única maneira de o gás continuar se movendo para dentro é remover parte do spin (conhecido como momento angular). Um disco de material se forma ao redor da jovem estrela para transportar material para baixo, como um redemoinho em torno de um ralo. Os campos magnéticos rodopiantes no disco interno lançam parte do material em jatos gêmeos que disparam para fora em direções opostas, perpendiculares ao disco de material. Na imagem do Webb, esses jatos são identificados por listras vermelhas brilhantes, que são ondas de choque causadas quando o jato atinge o gás e a poeira circundantes. Aqui, a cor vermelha indica a presença de hidrogênio molecular e monóxido de carbono. Webb pode obter imagens destas estrelas extremamente jovens e dos seus fluxos, que anteriormente estavam obstruídos em comprimentos de onda ópticos. Os astrónomos dizem que existem algumas forças que podem potencialmente mudar a direção dos fluxos durante este período da vida de uma estrela jovem. Uma maneira é quando as estrelas binárias giram em torno umas das outras e oscilam em orientação, distorcendo a direção dos fluxos ao longo do tempo. A Nebulosa de Serpens tem apenas um ou dois milhões de anos, o que é muito jovem em termos cósmicos. É também o lar de um aglomerado particularmente denso de estrelas recém-formadas (com cerca de 100.000 anos de idade) no centro desta imagem, algumas das quais acabarão por crescer até atingir a massa do nosso Sol. Serpens é uma nebulosa de reflexão, o que significa que é uma nuvem de gás e poeira que não cria sua própria luz, mas brilha refletindo a luz de estrelas próximas ou dentro da nebulosa. Assim, em toda a região nesta imagem, filamentos e tufos de diferentes tonalidades representam a luz estelar refletida de protoestrelas ainda em formação dentro da nuvem. Em algumas áreas há poeira na frente desse reflexo, que aqui aparece em um tom alaranjado e difuso. Esta região tem sido o lar de outras descobertas coincidentes, incluindo a oscilante 'Bat Shadow' , que ganhou o seu nome quando dados de 2020 do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA revelaram que ela oscilava ou mudava. Este recurso é visível no centro da imagem Webb. A imagem impressionante e a descoberta fortuita dos objetos alinhados são, na verdade, apenas o primeiro passo neste programa científico. A equipe agora usará o NIRSpec ( Near-InfraRed Spectrograph ) de Webb para investigar a composição química da nuvem. Os astrônomos estão interessados ​​em determinar como os produtos químicos voláteis sobrevivem à formação de estrelas e planetas. Voláteis são compostos que sublimam, ou fazem a transição de um sólido diretamente para um gás, a uma temperatura relativamente baixa – incluindo água e monóxido de carbono. Eles então compararão suas descobertas com as quantidades encontradas em discos protoplanetários de estrelas de tipos semelhantes. FONTES: https://esawebb.org/news/weic2415/ https://esawebb.org/media/archives/releases/sciencepapers/weic2415/weic2415.pdf #JAMESWEBB #STAR #UNIVERSE

[spacemen2001]

CHINA | Crean un disco óptico con la capacidad de almacenar casi 15.000 ...

China inventan Disco Láser de 1,5 Petabytes

aproximadamente 15,000 películas

o 30,000 horas de video

Reporte de Canal 26 Argentina

#ciencia #Tecnologia #China #Discosopticos #Canal26Argentina

https://youtube.com/watch?v=KrDGUoBfDGU&si=E7aFny2YNrT8PO5m

[vilaoperaria]

Há uma necessidade urgente de aumentar a capacidade global de armazenamento de dados, uma vez que as abordagens atuais ficam aquém do crescimento exponencial da geração de dados impulsionada pela Internet, pelas redes sociais e pelas tecnologias de nuvem. Além de aumentar a densidade de armazenamento, as novas soluções deverão fornecer arquivamento de dados de longo prazo que vai muito além da tradicional memória magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. Aqui, é proposto um conceito de arquivamento de dados de alta densidade, ultralongo e com eficiência energética, baseado em defeitos de tamanho atômico opticamente ativos em um material resistente à radiação, o carboneto de silício (SiC). A informação é escrita nesses defeitos por feixes de íons focados e lida usando fotoluminescência ou catodoluminescência. A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações sob condições ambientais. Com excitação de laser infravermelho próximo, codificação em escala de cinza e armazenamento de dados multicamadas, a densidade de área corresponde à dos discos Blu-ray. Além disso, é demonstrado que a limitação da densidade de área dos meios ópticos convencionais de armazenamento de dados devido à difração da luz pode ser superada pela excitação por feixe de elétrons focalizado. 1 Introdução Em 2012, a quantidade de dados digitais no mundo ultrapassou um Zettabyte (ZB ou 10 21 bytes), indicando o início da Era Zettabyte. Os dados gerados globalmente estão aumentando continuamente e espera-se que sejam superiores a 100 ZB/ano até 2025.  O consumo de energia dos data centers equivale a cerca de 1% da produção global de eletricidade; este número poderá aumentar para 3–13% até 2030.  O tempo de armazenamento limitado exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Isto aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida durante essa migração de dados.  A demanda por redução do consumo de energia, prolongamento do tempo de armazenamento e aumento da capacidade de big data levou a uma melhoria contínua das tecnologias atuais, como mídia magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. A memória magnética é a principal escolha para arquivamento de dados devido à sua grande capacidade de armazenamento. Um protótipo de fita magnética desenvolvido recentemente mostra um desempenho de gravação com uma densidade de armazenamento de área de 317,3 Gbit/in 2 .  O aumento da densidade de armazenamento requer a diminuição do tamanho da partícula magnética. Neste caso, as flutuações térmicas e os processos de difusão tornam-se significativos, resultando numa diminuição do tempo de armazenamento. Isto pode ser superado usando materiais com maior coercividade, o que por sua vez leva a uma maior energia necessária para armazenar um bit magnético. Por outro lado, os discos ópticos podem fornecer um tempo de armazenamento aparentemente ilimitado.  No entanto, o limite de difração restringe o menor bit de gravação à metade do comprimento de onda da luz, o que por sua vez limita a capacidade máxima de armazenamento. Usando gravação óptica multidimensional (isto é, múltiplas camadas dentro do meio, domínio espectral, codificação em escala de cinza, etc.), a capacidade de armazenamento por volume pode ser aumentada drasticamente.  Nos conceitos demonstrados, o registro óptico multidimensional é baseado na modificação do material utilizando pulsos de laser ultracurtos.  A energia necessária para escrever um único bit nessas abordagens está acima de 100 nJ/bit. Este valor é muitas ordens de magnitude maior do que para unidades de disco magnético e unidades de estado sólido, que está na faixa de 1 pJ/bit e 100 fJ/bit, respectivamente. Esses valores podem ser melhorados ainda mais reduzindo a carga de calor.  Por outro lado, o armazenamento óptico de dados não precisa ser atualizado e, portanto, não consome energia no estado ocioso.

No caso de arquivamento de dados a longo prazo, existe um compromisso entre a energia necessária para escrever um único bit e o tempo de vida do armazenamento.  Outras abordagens para armazenamento de dados de ultra-alta densidade estão em desenvolvimento. Particularmente, o armazenamento digital de dados DNA fornece a maior densidade de armazenamento por volume. Em uma abordagem alternativa, as memórias de tamanho atômico têm a maior densidade de armazenamento de área.  No entanto, os horários para escrever e ler nestes dois casos são atualmente impraticáveis. Particularmente, a velocidade de gravação está entre 0,8 e 0,07 bit/s no caso de memória de tamanho atômico. Os centros de cores no estado sólido constituem um tipo alternativo de armazenamento em escala atômica. De facto, foi demonstrado o armazenamento de dados utilizando os centros de vacância de azoto (NV) no diamante. A codificação de bits é realizada usando controle de estado de carga com luz laser e a leitura é realizada via fotoluminescência (PL). No entanto, os padrões de bits são armazenados nos centros NV por apenas mais de uma semana no escuro, o que não é suficiente para uso prático. Aqui, propomos um conceito de armazenamento de dados WORM (write once read many) de longo prazo baseado em carboneto de silício (SiC), conforme mostrado esquematicamente na Figura . O SiC hospeda centros de cores em escala atômica, especialmente a vacância de silício (VSi ) , ou seja, a ausência de átomo de silício no sítio da rede. Possui uma ampla banda PL à temperatura ambiente na faixa espectral do infravermelho próximo (NIR). Os defeitos V Si são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica é superado pelos esquemas de codificação 4D. Nestes esquemas, as três dimensões espaciais e a quarta dimensão de intensidade adicional (codificação em escala de cinza) são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos V Si através da energia iônica e da fluência, respectivamente. Um microscópio confocal de varredura PL é usado para ler opticamente os dados armazenados. Alternativamente, o uso de catodoluminescência (CL) em vez de PL pode melhorar drasticamente a densidade de armazenamento de área. [caption id="attachment_87019" align="aligncenter" width="633"] Um conceito de armazenamento óptico de dados de longo prazo em SiC. a) A informação é escrita em defeitos atômicos opticamente ativos por um feixe de íons focado e lida usando o defeito PL ou CL. O comprimento de onda de excitação é 785 nm. b) Espectro PL típico em HPSI SiC cultivado e após irradiação iônica. c) O decaimento da intensidade de V Si PL em diferentes temperaturas. As linhas sólidas são adequadas para exp (− t /τ) e as linhas tracejadas representam extrapolação para um tempo de recozimento mais longo t . d) Gráfico de Arrhenius da taxa de decaimento PL 1/τ. A área sombreada ao redor da linha sólida representa a tolerância dos valores extrapolados. À temperatura ambiente, as informações em V Si podem ser armazenadas por mais de dez milhões de anos.[/caption] 2 Resultados e Discussão Para nossos estudos, utilizamos wafers comerciais de 4H-SiC. Para criar vagas atômicas, realizamos irradiação de prótons com fluência de 1 × 10 15  cm −2 . Em seguida, medimos PL de V Si na faixa espectral de 800 a 1000 nm sob excitação ideal a 785 nm.  Os espectros de PL à temperatura ambiente na amostra cultivada e medidos após a irradiação são mostrados na Figura   , indicando uma ativação clara de defeitos V Si opticamente ativos sem qualquer tratamento pós-irradiação. Além disso, realizamos experimentos de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) em áreas implantadas ( Informações de Apoio ). A observação do pico ODMR a 70 MHz é uma indicação clara dos defeitos V Si no 4H-SiC. 

2.1 Tempo de armazenamento Está bem estabelecido que a temperatura ideal de recozimento para curar a rede dos danos da irradiação e simultaneamente preservar o V Si está na faixa de 500 - 600°C.  Em temperaturas de recozimento mais altas, os defeitos V Si são rapidamente removidos. Investigamos agora em detalhes a dependência da intensidade PL integrada no tempo de duração do recozimento t para diferentes temperaturas de recozimento T . Para curar o cristal dos danos da irradiação, partimos de baixas temperaturas de recozimento em etapas de 100°C e duração de 90 min em cada etapa. Todos os experimentos de recozimento são realizados em atmosfera Ar. O recozimento leva a um aumento inicial da intensidade do PL em aproximadamente 52%. Quando observamos que o PL começa a cair a 640°C, paramos para aumentar a temperatura e realizamos várias séries de experimentos de recozimento em temperaturas mais baixas, variando o tempo de recozimento. No início de cada série de temperaturas, os valores de temperatura adequados e os tempos de recozimento associados são determinados pelo teste. Na etapa final, realizamos o recozimento a uma temperatura mais elevada de 900°C até o completo desaparecimento do PL e confirmação do decaimento mono-exponencial. Para aumentar a precisão e garantir a repetibilidade da alteração relativa do PL, todas as medições de recozimento são realizadas na mesma amostra e na mesma área. O histórico completo de recozimento da amostra é apresentado nas Informações de Apoio. A tendência geral é que quanto menor a temperatura de recozimento, maior será o tempo de recozimento necessário para observar quaisquer alterações de PL . Notavelmente, mesmo a T = 400°C, uma diminuição muito pequena, mas diferente de zero, na intensidade de PL é detectável durante um longo tempo de recozimento de 6 h.  A temperatura mais alta T = 900°C é escolhida como a última das quatro séries de recozimento, de modo que são necessários tempos de recozimento curtos na faixa de minutos para observar decaimento PL significativo. Finalmente, os experimentos desta série são realizados até que nenhum defeito V Si opticamente ativo seja mais observado. O recozimento a 900°C mostra um decaimento exponencial completo, que pode ser ajustado para exp (− t /τ), como mostrado pela linha sólida na Figura. Para temperaturas de recozimento mais baixas, a variação do PL é pequena e o ajuste é dado pelo primeiro termo do expoente da expansão de Taylor 1 − t /τ. A dependência do tempo de decaimento PL τ com a temperatura é determinada pela energia de ativação E a , de acordo com a lei de Arrhenius  aqui, k B é a constante de Boltzmann. O gráfico de Arrhenius de 1/τ em função da temperatura é apresentado na Figura. A partir do ajuste à Equação, obtemos E a = 860 ± 10 meV. Para efeito de comparação, a energia térmica à temperatura ambiente é de 26 meV. Com o fator de frequência A = 1,6 ± 0,1 Hz, extrapolamos o tempo de decaimento do PL para τ = 1,1 × 10 7  anos à temperatura ambiente T = 22°C e τ = 0,9 × 10 4  anos no ponto de ebulição da água sob pressão padrão T = 100ºC. A extrapolação durante um período tão longo resulta em um erro muito grande. Mas obviamente, o meio de informação baseado nos defeitos V Si no SiC pode preservar a informação ao longo de algumas gerações, ou seja, no mínimo algumas centenas de anos. 2.2 Armazenamento de dados com codificação em escala de cinza A seguir, registramos o texto “E pur si muove - Embora ele se mova” de Galileo Galilei em defeitos V Si opticamente ativos . Para realizar a gravação digital, convertemos este texto para a representação hexadecimal do código ASCII, conforme descrito nas Informações de Apoio. Criamos defeitos V Si usando um microfeixe de prótons focado em um ponto redondo de aproximadamente 1 µm de diâmetro.  Um esquema de codificação de dois bits é usado para cada pixel de implantação. Implantamos 4 × 10 6 prótons para escrever 01 e, correspondentemente, dobramos e triplicamos esse valor para escrever 10 e 11.

A ausência de implantação corresponde a 00. Nenhum recozimento pós-implantação é realizado e os dados podem ser lidos imediatamente após a gravação . Para recuperar o fluxo digital gravado, usamos um microscópio confocal de varredura caseiro, conforme apresentado na Figura  . Os defeitos V Si são excitados com um laser de 785 nm e o PL integrado é medido com um detector de fóton único de silício após filtragem com um filtro passa-longo de 800 nm. A Figura  mostra o V Si PL ao longo de uma das trilhas de dados, onde as diferentes taxas de contagem para os quatro estados lógicos 00, 01, 10 e 11 são claramente vistas. A Figura  mostra as estatísticas da taxa de contagem de PL para todos os pixels. Observamos que a largura total na metade do máximo (FWHM) de 1,6 µm é dada pela convolução do tamanho real do pixel e do tamanho do ponto do laser, sendo ambos de cerca de 1 µm. Notamos também que embora o tamanho do pixel possa ser significativamente reduzido, a resolução espacial do padrão óptico não pode ser significativamente melhorada devido ao limite de difração dado pelo comprimento de onda do laser. Podem ser vistos quatro máximos que identificamos com os quatro estados lógicos. Por fim restauramos o texto “E pur si i uove - Albe Y t it does move”. Dos 294 bits registrados, detectamos apenas dois erros de bits, levando a dois caracteres errados (destacados em negrito). Esses erros são devidos a alguma variação na intensidade do PL e podem ser corrigidos usando bits redundantes como referência para taxas de contagem. [caption id="attachment_87024" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação em escala de cinza. a) Um exemplo de fluxo digital com codificação de dois bits por pixel. A barra de escala é 10 µm. b) Taxa de contagem de fótons do V Si PL registrada ao longo de uma das trilhas de dados. Quatro níveis de taxa de contagem representam os estados lógicos de dois bits 00, 01, 10 e 11. c) Estatísticas da taxa de contagem PL sobre todos os pixels.[/caption] Para aumentar a capacidade de armazenamento, demonstramos a codificação multicamadas conforme apresentado esquematicamente na Figura  . Usamos wafers comerciais de SiC e registramos mapas da Terra em diferentes épocas geológicas. Primeiro, esses mapas são convertidos em imagens em tons de cinza de oito bits (Supporting Information) com distância entre pixels de 80 nm. Os íons He com uma energia de 25 keV são focados em um tamanho de ponto de aproximadamente 1 nm na superfície da amostra em um microscópio de íons de hélio (HIM). Para encontrar as condições ideais de gravação, realizamos uma série de experimentos com diferentes fluências de implantação, conforme descrito nas Informações de Apoio. Descobrimos que a intensidade de V Si PL aumenta quase linearmente até uma fluência de Φ max = 1 × 10 13  cm −2 . Ele satura em 5 × 10 13  cm −2 e depois cai devido ao dano induzido por íons na estrutura cristalina do SiC. A escala de cinza para escrita de feixe de íons focado  é escolhida de forma que o estado lógico máximo de 8 bits seja codificado com Φ max σ HIM . Aqui, σ HIM é a área determinada pelo desvio lateral obtido na simulação SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Outros estados de bits diminuem linearmente com a fluência de implantação. [caption id="attachment_87023" align="aligncenter" width="633"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação multicamada. a) Um esquema do meio de armazenamento óptico com camadas de dados de cerca de 250 nm de espessura, separadas por espaçadores transparentes. b) Varreduras PL confocal em profundidade através de dois pontos. Os pontos são selecionados de forma que a fluência de irradiação seja a mesma na camada dois e diferente na camada um. Devido à absorção insignificante do laser de excitação e do V Si PL no SiC, não há interferência entre as camadas. c) Um mapa da Terra de 240 milhões de anos atrás armazenado/recuperado da camada um. Uma codificação em escala

de cinza de oito bits é usada pela escrita de feixe de íons e uma codificação de três bits é reinstaurada pela leitura óptica. d) Um mapa da Terra hoje armazenado/recuperado da camada dois. A taxa de contagem de fundo de 50k cps causada pelo V Si residual é subtraída em (c, d). A taxa de contagem de 87,5 mil cps corresponde a um nível da codificação em escala de cinza de três bits.[/caption] Depois de escrever mapas individuais da Terra em wafers de SiC separados, eles são empilhados juntos (Figura  3a ). Em seguida, usamos uma configuração confocal para recuperar os mapas armazenados. Varreduras detalhadas através de diferentes pontos são mostradas na Figura  3b . O espaçador transparente nessas varreduras é dado pela espessura do wafer de 250 µm. Considerando a resolução de profundidade de 60 µm juntamente com a distância de trabalho da objetiva de 700 µm, concluímos que até dez camadas podem ser recuperadas sem interferência. Isso se deve ao fraco coeficiente de absorção de SiC nos comprimentos de onda de excitação e V Si PL, que são maiores que 380 nm, correspondendo ao bandgap 4H-SiC. Os mapas recuperados de duas camadas separadas por um espaçador são apresentados nas Figuras  3c e d . Aqui, usamos codificação de 3 bits para reconstruir os mapas. Como a separação de pixels no desenho do projeto é muito menor do que a resolução espacial óptica e a codificação de escrita é mais precisa do que a codificação de leitura, muitos detalhes são calculados em média (Informações de Suporte). Por esta razão, não podemos estimar a precisão da leitura da Figura  3 . Agora estimamos o limite de densidade de armazenamento da nossa gravação 4D. A resolução óptica lateral é dada pelo critério de Rayleigh 1,22λ/NA, onde λ = 785 nm é o comprimento de onda de excitação e NA = 0,81 é a abertura numérica da objetiva. Consideramos então dez camadas e codificação em escala de cinza de três bits para a terceira e quarta dimensões, respectivamente. Finalmente, obtemos uma densidade de armazenamento de 75 Gbit/in2 para dez camadas. 2.3 Leitura de Catodoluminescência O limite de difração do tamanho mínimo do ponto sob excitação óptica é muito maior que a área implantada no HIM. A Figura  4a mostra uma simulação SRIM da distribuição lateral e profunda dos defeitos V Si criados por íons He com energia de 25 keV. A profundidade de penetração dos íons He com esta energia é de cerca de 250 nm. Devido ao espalhamento lateral de íons dentro da camada de SiC, a área implantada tem cerca de σ HIM ≈200 nm de diâmetro. Para aumentar a resolução espacial, propomos usar CL em vez de PL. A Figura  4b mostra o desgarrado de elétrons com energia de 5 keV em SiC, simulado com o software CASINO (monte CARlo SIMulation of electroN path in sOlids). O desvio lateral é de cerca de σ CL ≈ 300 nm. Embora os elétrons com essa energia penetrem no SiC ao longo de vários µm, a simulação da profundidade é limitada a uma profundidade de 250 nm, que é a espessura da camada epitaxial de SiC usada em nossos experimentos de CL. Observamos que a leitura multicamadas não é possível neste caso. [caption id="attachment_87025" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento de dados em SiC com leitura CL. a) Simulação SRIM da criação de V Si com implantação de He com energia de pouso de 25 keV indicando desgarrado longitudinal e lateral. b) Simulação CASINO do espalhamento longitudinal e lateral de elétrons com energia de 5 keV. c) Mapa de intensidade CL do código de barras escrito com HIM. d) Espectro CL das áreas irradiadas e cultivadas. e) Leitura integrada da linha CL através do código de barras armazenado em c). As linhas sólidas são um ajuste multi-gaussiano. A inserção mostra o código de barras armazenado em (c).[/caption] Os espectros CL na faixa de 800 a 1000 nm são mostrados na Figura  4d . Há um sinal CL extremamente baixo em uma amostra cultivada em comparação com PL. A razão para isso é uma concentração cada vez mais baixa de defeitos de V Si nas camadas epitaxiais em comparação com os wafers HPSI usados ​​para PL (Seção Experimental).

Após a implantação de He a uma fluência de 5 × 10 13  cm −2 , o espectro CL tem a mesma posição de pico e largura espectral que o espectro PL da Figura  1b , demonstrando que os elétrons podem de fato excitar eficientemente os defeitos V Si . Em seguida, usamos o HIM para escrever um código de barras representado no encarte da Figura  4e . Este código de barras representa o número 916, correspondente à posição espectral de uma das linhas de fônons zero V Si em 4H-SiC. O código de barras foi criado usando linhas de pixel único com fluência de 70 íons/nm a uma energia de 25 keV usando uma corrente de íons de 0,5 pA. O código de barras recuperado com CL é apresentado na Figura  4c . Para ser espectralmente seletivo à emissão dos defeitos V Si , detectamos sinais de 800 nm (usando filtros passa-longo) a 1000 nm (dado pela sensibilidade espectral do detector de silício). Para analisar a resolução espacial, integramos o sinal ao longo das barras e traçamos a varredura linear através das barras, conforme mostrado na Figura  4e . A partir do ajuste multi-gaussiano, descobrimos que a largura total na metade do máximo (FWHM) das barras mais estreitas é de cerca de 420 nm, o que representa a resolução espacial. Este valor está em boa concordância com a resolução espacial lateral esperada dada pelo He combinado e pelo espalhamento de elétrons. De acordo com a Figura  4a,b , a resolução espacial pode ser significativamente melhorada se a profundidade de criação dos defeitos V Si for limitada a 50 nm. Isto pode ser realizado usando íons He com menor energia em combinação com camadas epitaxiais de SiC mais finas. O espalhamento lateral de íons e elétrons He é limitado, neste caso, a 30 e 40 nm, respectivamente, resultando em uma resolução espacial total de 50 nm. Corresponde à densidade de armazenamento para uma única camada próxima de 300 Gbit/in 2 , que é comparável à densidade de área de registro das fitas magnéticas mas com tempo de armazenamento muito maior e sem necessidade de migração de dados. Observamos que a densidade máxima de defeitos V Si opticamente ativos é 10 16  cm −3 ,  enquanto para concentrações mais altas a presença de canais de recombinação não radiativos devido a danos no cristal induzidos por irradiação suprime a emissão. Para tal densidade de volume, a distância média entre defeitos únicos de V Si é de 46 nm. Portanto, para atingir a densidade de armazenamento de área acima mencionada de 300 Gbit/in 2 , o único bit deve ser armazenado em um único ou em poucos defeitos V Si . A criação de um número único ou contável de defeitos V Si obedece à distribuição de Poisson. Para o valor médio de 1 V Si , a probabilidade de criar defeitos de 0 V Si é de cerca de 36,7% e a fidelidade de escrita correspondente é baixa. Porém, no limite de defeitos únicos ou poucos, a codificação binária é possível, onde o 0 lógico é representado pela ausência do sinal CL e o 1 lógico é representado pelo sinal CL diferente de zero dos defeitos V Si . Particularmente, se o valor médio for igual a 5 V Si , a probabilidade de criar um defeito de 0 V Si é inferior a 0,7%. A fidelidade de escrita correspondente definida estatisticamente estaria acima de 99,3% neste caso. O rendimento de criação de defeitos únicos de V Si usando íons He com uma energia de 6 keV é de 8,5%, o que corresponde em média a 12 íons He necessários para criar um (ou 5) centro (s) V Si . Com base nesses números, a energia mínima necessária para armazenar um único bit é estimada em 10 fJ (ou 50 fJ). Este valor não leva em consideração o consumo de energia necessário para manter a IHM funcionando. O consumo geral de energia aumenta com o número de bits e a velocidade de escrita/leitura, mas não existe tal escalonamento para a operação da HIM. Portanto, no limite de um número muito grande de bits, a energia consumida deve ser determinada pela necessária para escrever o bit individual. A velocidade de gravação alcançável é um critério importante para armazenamento de dados a longo prazo.

É limitado pela fluência necessária para a criação dos defeitos e pela corrente do feixe de íons. No entanto, este último está ligado ao tamanho do spot alcançável e, portanto, não pode ser aumentado indefinidamente. Se assumirmos uma fluência necessária de Φ He = 1,2 × 10 12  cm −2 e uma área de bits de 1000 nm 2 de acordo com os resultados apresentados acima, necessitamos da implantação de ≈12 íons He. No caso da HIM, podemos utilizar altas correntes na faixa de 2 pA, pois a resolução necessária pode ser facilmente alcançada. Nestas condições, a gravação de um único pixel requer apenas 100 ns. Portanto, nossa abordagem tem potencial para atingir uma velocidade de gravação de 10 Mbit/s (ignorando o tempo necessário para direção e atualização do feixe, que é apenas uma pequena correção). Essa velocidade de gravação é mais rápida do que em outras mídias ópticas de armazenamento de dados.  Defeitos opticamente ativos também podem ser alcançados com outros íons. Uma fonte de íons metálicos líquidos permitirá aumentar a corrente para alguns 10 nA. Desde que o tamanho do ponto de 40 nm possa ser mantido, isto resulta, no entanto, em tempos de permanência extremamente curtos, o que exigirá novos supressores de feixe de alta velocidade. Assumindo um supressor tão rápido, capaz de apagar e revelar o feixe em menos de 10 ns , uma corrente de 200 pA é necessária para atingir a fluência necessária Φ Ga . Em tal sistema FIB hipotético, velocidades de gravação de até 100 Mbit/s poderiam ser alcançadas. A velocidade de leitura é diretamente limitada pela taxa de emissão dos defeitos V Si . Para o armazenamento de dados ópticos 4D descrito na Figura   , o potencial limite superior da velocidade de leitura é de cerca de 100 kbit/s. É muito menor se bits únicos forem armazenados em defeitos únicos de V Si , estando na faixa de apenas 1 kbit/s. Alguns outros centros de cores em SiC demonstram PL muito forte, que pode fornecer velocidade de leitura de defeitos únicos superior a 1 Mbit/s.  Alternativamente, a taxa de contagem e, correspondentemente, a velocidade de leitura podem ser significativamente melhoradas coletando PL da face m do cristal de SiC  ou coletando CL de nanocristais de SiC  depositados em uma superfície condutora espelhada. 3 Conclusão Demonstramos armazenamento de dados ultralongo e de alta densidade baseado em defeitos V Si , que são criados por feixes de íons focados. Para recuperar as informações armazenadas, excitamos os defeitos V Si com um laser de 785 nm usado em drives de CD e detectamos seu PL. Em seguida, aplicamos esquemas de codificação em escala de cinza de dois e oito bits com base na intensidade PL para armazenar texto e imagens, respectivamente. As imagens são armazenadas em duas camadas e nossas estimativas mostram que até dez camadas podem ser lidas sem interferência. Neste caso, a densidade de armazenamento projetada está na faixa de dezenas de Gbit/pol 2 , o que é comparável com discos HD DVD e Blu-ray. A extrapolação do tempo de decaimento do PL ativado termicamente aponta para um tempo de armazenamento extremamente longo. Para superar o limite de difração, demonstramos então que CL pode ser usado em vez de PL para ler bits codificados em defeitos V Si opticamente ativos. Para examinar a resolução espacial, que determina a densidade de armazenamento de área, escrevemos um código de barras em 4H-SiC usando HIM e lemos usando CL. Embora a resolução espacial do CL de cerca de 360 ​​nm seja melhor do que no caso do PL, ela é limitada pelo espalhamento de íons e elétrons durante os processos de gravação e leitura, respectivamente. Ao reduzir a espessura da camada de gravação para 50 nm, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada, proporcionando o limite teórico da densidade de armazenamento de cerca de 300 Gbit/in 2 . Nossa abordagem não se limita ao SiC e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D como WS 2  e hBN.  4 Seção Experimental

Amostras As amostras de 4H-SiC foram adquiridas da STMicroelectronics (anteriormente Norstel). Para os experimentos de PL, foi utilizado um wafer 4H-SiC semi-isolante de alta pureza (HPSI). Para os experimentos de CL, foi utilizada uma camada epitaxial de 4H-SiC tipo p (nível de dopagem 1 × 10 17  cm -3 ) com espessura de 250 nm, cultivada em um substrato 4H-SiC tipo n. Um substrato condutor foi necessário para descarregar a amostra quando ela foi exposta ao feixe de elétrons em experimentos de CL. Microscópio Confocal As medições de PL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo, utilizando um microscópio confocal caseiro. Um laser acoplado a fibra de 785 nm de onda contínua (Thorlabs, LP785-SF20) foi enviado através de um filtro passa-faixa de 785 nm com uma janela de transmissão de 10 nm (AHF Analysentechnik AG, ZET785/10) e focado na amostra usando um objetiva do microscópio com NA = 0,81 otimizada para a faixa espectral NIR. A potência do laser foi controlada usando um atenuador de fibra óptica variável em linha (Thorlabs, VOA780-FC) e ajustada para aproximadamente 6 mW. Utilizando um sistema de nanoposicionamento de circuito fechado (attocube, ANPx311) ancorado ao porta-amostras, foram realizadas varreduras raster PL confocal 2D dos padrões HIM espacialmente seletivos. Para as varreduras PL em profundidade, foi considerado o índice de refração de SiC n SiC = 2,6. A emissão NIR do V Si foi coletada pela mesma objetiva enquanto os resíduos da luz laser foram limpos por um conjunto de dois filtros passa-longa de 800 nm (Thorlabs, FELH0800). O PL foi alimentado em um detector de fóton único de nanofio supercondutor acoplado a fibra de banda larga (Single Quantum) para medições de PL espectralmente integradas ou acoplado a um espectrômetro equipado com um Si-CCD (Andor Technology, iVac 324 FI) para medições de PL seletivas de comprimento de onda . Implantação de feixe de íons focado Os experimentos com feixe de prótons foram realizados nas instalações de irradiação TIARA da QST Takasaki, Japão. O acelerador de partículas de extremidade única de 3 MV foi utilizado para gerar um feixe focalizado estável com tamanho típico de 1 × 1 µm 2 , que foi estimado na estação final por imagens de elétrons secundários em uma malha de cobre. A estação final foi equipada com um estágio de precisão de dois eixos (Canon Precision) e controlou a posição do wafer SiC. A corrente do feixe através do porta-amostras foi monitorada durante a irradiação para registrar flutuações e desvios da corrente e fluência pretendidas, enquanto as correntes precisas do feixe foram avaliadas antes e depois do experimento de irradiação por um copo de Faraday conectado a um picômetro. Toda a irradiação com feixe de íons He foi realizada em um Carl Zeiss Orion NanoFAB. A máquina possui vários complementos, incluindo um supressor rápido capaz do comprimento de pulso ultracurto mencionado acima, que também é usado para TOF-SIMS.  Salvo indicação em contrário, uma pressão de hélio de2×10−6mbar, foi utilizada uma abertura de 10 µm, número de controle de ponto 4 e tensão de aceleração de 25 kV. Para reduzir a irradiação não intencional por átomos de He energéticos neutros, todos os padrões de irradiação foram colocados pelo menos 50 µm (normalmente 100 µm) fora do eixo da coluna óptica de íons. Catodoluminescência O sistema de detecção óptica comercialmente disponível (delmic SPARC) utilizado para as medições de CL foi acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (scienta omicron NanoSAM Lab). A amostra foi montada em um sistema de microposicionamento controlado por piezo. O feixe de elétrons foi direcionado através de uma abertura micrométrica do espelho parabólico e focado na superfície da amostra até um tamanho de ponto abaixo de 10 nm. Um sinal CL foi emitido quando o feixe contínuo de elétrons de 5 keV (1 nA) excita V Si no ponto focal do espelho parabólico. A resposta CL foi coletada pelo mesmo espelho parabólico e acoplada a fibra (Thorlabs,

FG300AEA) a um Si-APD (Thorlabs, APD440A) para medições CL espectralmente integradas ou acoplada a um espectrômetro equipado com uma câmera Si-CMOS (Andor Technology , Zyla 5.5 sCMOS) para medições CL seletivas de comprimento de onda. Mapas de intensidade CL 2D foram obtidos escaneando o feixe de elétrons lateralmente através do padrão HIM. Para evitar contribuições de outros defeitos luminescentes na faixa espectral visível, o sinal CL foi filtrado em passagem longa a 830 nm (Semrock, LP02-830RE-25). Todas as medições de CL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo. Reconhecimentos VD e GVA reconheceram o apoio financeiro do Cluster de Excelência em Complexidade e Topologia em Matéria Quântica de Würzburg-Dresden ct.qmat (EXC 2147, ID de projeto DFG 390858490). TO reconheceu o apoio do MEXT Q-LEAP JPMXS0118067395. M. Ho. obrigado Helmut Schultheiss pela assistência com o Blender na preparação dos esquemas na Figura  1a . GH e LB são membros da Ação COST FIT4NANO CA19140 http://www.fit4nano.eu. HK realizou trabalhos no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sob contrato com a Nastional Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). O apoio do Ion Beam Center (IBC) nas instalações de irradiação HZDR e TIARA da QST Takasaki é reconhecido com gratidão pela implantação iônica. Financiamento de acesso aberto habilitado e organizado pelo Projekt DEAL. Conflito de interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses. https://w3b.com.br/armazenamento-de-dados-de-alta-densidade-e-ultralongo-prazo-com-defeitos-atomicos-em-sic/?feed_id=3315&_unique_id=662bb2f06d6a6

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Há uma necessidade urgente de aumentar a capacidade global de armazenamento de dados, uma vez que as abordagens atuais ficam aquém do crescimento exponencial da geração de dados impulsionada pela Internet, pelas redes sociais e pelas tecnologias de nuvem. Além de aumentar a densidade de armazenamento, as novas soluções deverão fornecer arquivamento de dados de longo prazo que vai muito além da tradicional memória magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. Aqui, é proposto um conceito de arquivamento de dados de alta densidade, ultralongo e com eficiência energética, baseado em defeitos de tamanho atômico opticamente ativos em um material resistente à radiação, o carboneto de silício (SiC). A informação é escrita nesses defeitos por feixes de íons focados e lida usando fotoluminescência ou catodoluminescência. A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações sob condições ambientais. Com excitação de laser infravermelho próximo, codificação em escala de cinza e armazenamento de dados multicamadas, a densidade de área corresponde à dos discos Blu-ray. Além disso, é demonstrado que a limitação da densidade de área dos meios ópticos convencionais de armazenamento de dados devido à difração da luz pode ser superada pela excitação por feixe de elétrons focalizado. 1 Introdução Em 2012, a quantidade de dados digitais no mundo ultrapassou um Zettabyte (ZB ou 10 21 bytes), indicando o início da Era Zettabyte. Os dados gerados globalmente estão aumentando continuamente e espera-se que sejam superiores a 100 ZB/ano até 2025.  O consumo de energia dos data centers equivale a cerca de 1% da produção global de eletricidade; este número poderá aumentar para 3–13% até 2030.  O tempo de armazenamento limitado exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Isto aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida durante essa migração de dados.  A demanda por redução do consumo de energia, prolongamento do tempo de armazenamento e aumento da capacidade de big data levou a uma melhoria contínua das tecnologias atuais, como mídia magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. A memória magnética é a principal escolha para arquivamento de dados devido à sua grande capacidade de armazenamento. Um protótipo de fita magnética desenvolvido recentemente mostra um desempenho de gravação com uma densidade de armazenamento de área de 317,3 Gbit/in 2 .  O aumento da densidade de armazenamento requer a diminuição do tamanho da partícula magnética. Neste caso, as flutuações térmicas e os processos de difusão tornam-se significativos, resultando numa diminuição do tempo de armazenamento. Isto pode ser superado usando materiais com maior coercividade, o que por sua vez leva a uma maior energia necessária para armazenar um bit magnético. Por outro lado, os discos ópticos podem fornecer um tempo de armazenamento aparentemente ilimitado.  No entanto, o limite de difração restringe o menor bit de gravação à metade do comprimento de onda da luz, o que por sua vez limita a capacidade máxima de armazenamento. Usando gravação óptica multidimensional (isto é, múltiplas camadas dentro do meio, domínio espectral, codificação em escala de cinza, etc.), a capacidade de armazenamento por volume pode ser aumentada drasticamente.  Nos conceitos demonstrados, o registro óptico multidimensional é baseado na modificação do material utilizando pulsos de laser ultracurtos.  A energia necessária para escrever um único bit nessas abordagens está acima de 100 nJ/bit. Este valor é muitas ordens de magnitude maior do que para unidades de disco magnético e unidades de estado sólido, que está na faixa de 1 pJ/bit e 100 fJ/bit, respectivamente. Esses valores podem ser melhorados ainda mais reduzindo a carga de calor.  Por outro lado, o armazenamento óptico de dados não precisa ser atualizado e, portanto, não consome energia no estado ocioso.

No caso de arquivamento de dados a longo prazo, existe um compromisso entre a energia necessária para escrever um único bit e o tempo de vida do armazenamento.  Outras abordagens para armazenamento de dados de ultra-alta densidade estão em desenvolvimento. Particularmente, o armazenamento digital de dados DNA fornece a maior densidade de armazenamento por volume. Em uma abordagem alternativa, as memórias de tamanho atômico têm a maior densidade de armazenamento de área.  No entanto, os horários para escrever e ler nestes dois casos são atualmente impraticáveis. Particularmente, a velocidade de gravação está entre 0,8 e 0,07 bit/s no caso de memória de tamanho atômico. Os centros de cores no estado sólido constituem um tipo alternativo de armazenamento em escala atômica. De facto, foi demonstrado o armazenamento de dados utilizando os centros de vacância de azoto (NV) no diamante. A codificação de bits é realizada usando controle de estado de carga com luz laser e a leitura é realizada via fotoluminescência (PL). No entanto, os padrões de bits são armazenados nos centros NV por apenas mais de uma semana no escuro, o que não é suficiente para uso prático. Aqui, propomos um conceito de armazenamento de dados WORM (write once read many) de longo prazo baseado em carboneto de silício (SiC), conforme mostrado esquematicamente na Figura . O SiC hospeda centros de cores em escala atômica, especialmente a vacância de silício (VSi ) , ou seja, a ausência de átomo de silício no sítio da rede. Possui uma ampla banda PL à temperatura ambiente na faixa espectral do infravermelho próximo (NIR). Os defeitos V Si são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica é superado pelos esquemas de codificação 4D. Nestes esquemas, as três dimensões espaciais e a quarta dimensão de intensidade adicional (codificação em escala de cinza) são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos V Si através da energia iônica e da fluência, respectivamente. Um microscópio confocal de varredura PL é usado para ler opticamente os dados armazenados. Alternativamente, o uso de catodoluminescência (CL) em vez de PL pode melhorar drasticamente a densidade de armazenamento de área. [caption id="attachment_87019" align="aligncenter" width="633"] Um conceito de armazenamento óptico de dados de longo prazo em SiC. a) A informação é escrita em defeitos atômicos opticamente ativos por um feixe de íons focado e lida usando o defeito PL ou CL. O comprimento de onda de excitação é 785 nm. b) Espectro PL típico em HPSI SiC cultivado e após irradiação iônica. c) O decaimento da intensidade de V Si PL em diferentes temperaturas. As linhas sólidas são adequadas para exp (− t /τ) e as linhas tracejadas representam extrapolação para um tempo de recozimento mais longo t . d) Gráfico de Arrhenius da taxa de decaimento PL 1/τ. A área sombreada ao redor da linha sólida representa a tolerância dos valores extrapolados. À temperatura ambiente, as informações em V Si podem ser armazenadas por mais de dez milhões de anos.[/caption] 2 Resultados e Discussão Para nossos estudos, utilizamos wafers comerciais de 4H-SiC. Para criar vagas atômicas, realizamos irradiação de prótons com fluência de 1 × 10 15  cm −2 . Em seguida, medimos PL de V Si na faixa espectral de 800 a 1000 nm sob excitação ideal a 785 nm.  Os espectros de PL à temperatura ambiente na amostra cultivada e medidos após a irradiação são mostrados na Figura   , indicando uma ativação clara de defeitos V Si opticamente ativos sem qualquer tratamento pós-irradiação. Além disso, realizamos experimentos de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) em áreas implantadas ( Informações de Apoio ). A observação do pico ODMR a 70 MHz é uma indicação clara dos defeitos V Si no 4H-SiC. 

2.1 Tempo de armazenamento Está bem estabelecido que a temperatura ideal de recozimento para curar a rede dos danos da irradiação e simultaneamente preservar o V Si está na faixa de 500 - 600°C.  Em temperaturas de recozimento mais altas, os defeitos V Si são rapidamente removidos. Investigamos agora em detalhes a dependência da intensidade PL integrada no tempo de duração do recozimento t para diferentes temperaturas de recozimento T . Para curar o cristal dos danos da irradiação, partimos de baixas temperaturas de recozimento em etapas de 100°C e duração de 90 min em cada etapa. Todos os experimentos de recozimento são realizados em atmosfera Ar. O recozimento leva a um aumento inicial da intensidade do PL em aproximadamente 52%. Quando observamos que o PL começa a cair a 640°C, paramos para aumentar a temperatura e realizamos várias séries de experimentos de recozimento em temperaturas mais baixas, variando o tempo de recozimento. No início de cada série de temperaturas, os valores de temperatura adequados e os tempos de recozimento associados são determinados pelo teste. Na etapa final, realizamos o recozimento a uma temperatura mais elevada de 900°C até o completo desaparecimento do PL e confirmação do decaimento mono-exponencial. Para aumentar a precisão e garantir a repetibilidade da alteração relativa do PL, todas as medições de recozimento são realizadas na mesma amostra e na mesma área. O histórico completo de recozimento da amostra é apresentado nas Informações de Apoio. A tendência geral é que quanto menor a temperatura de recozimento, maior será o tempo de recozimento necessário para observar quaisquer alterações de PL . Notavelmente, mesmo a T = 400°C, uma diminuição muito pequena, mas diferente de zero, na intensidade de PL é detectável durante um longo tempo de recozimento de 6 h.  A temperatura mais alta T = 900°C é escolhida como a última das quatro séries de recozimento, de modo que são necessários tempos de recozimento curtos na faixa de minutos para observar decaimento PL significativo. Finalmente, os experimentos desta série são realizados até que nenhum defeito V Si opticamente ativo seja mais observado. O recozimento a 900°C mostra um decaimento exponencial completo, que pode ser ajustado para exp (− t /τ), como mostrado pela linha sólida na Figura. Para temperaturas de recozimento mais baixas, a variação do PL é pequena e o ajuste é dado pelo primeiro termo do expoente da expansão de Taylor 1 − t /τ. A dependência do tempo de decaimento PL τ com a temperatura é determinada pela energia de ativação E a , de acordo com a lei de Arrhenius  aqui, k B é a constante de Boltzmann. O gráfico de Arrhenius de 1/τ em função da temperatura é apresentado na Figura. A partir do ajuste à Equação, obtemos E a = 860 ± 10 meV. Para efeito de comparação, a energia térmica à temperatura ambiente é de 26 meV. Com o fator de frequência A = 1,6 ± 0,1 Hz, extrapolamos o tempo de decaimento do PL para τ = 1,1 × 10 7  anos à temperatura ambiente T = 22°C e τ = 0,9 × 10 4  anos no ponto de ebulição da água sob pressão padrão T = 100ºC. A extrapolação durante um período tão longo resulta em um erro muito grande. Mas obviamente, o meio de informação baseado nos defeitos V Si no SiC pode preservar a informação ao longo de algumas gerações, ou seja, no mínimo algumas centenas de anos. 2.2 Armazenamento de dados com codificação em escala de cinza A seguir, registramos o texto “E pur si muove - Embora ele se mova” de Galileo Galilei em defeitos V Si opticamente ativos . Para realizar a gravação digital, convertemos este texto para a representação hexadecimal do código ASCII, conforme descrito nas Informações de Apoio. Criamos defeitos V Si usando um microfeixe de prótons focado em um ponto redondo de aproximadamente 1 µm de diâmetro.  Um esquema de codificação de dois bits é usado para cada pixel de implantação. Implantamos 4 × 10 6 prótons para escrever 01 e, correspondentemente, dobramos e triplicamos esse valor para escrever 10 e 11.

A ausência de implantação corresponde a 00. Nenhum recozimento pós-implantação é realizado e os dados podem ser lidos imediatamente após a gravação . Para recuperar o fluxo digital gravado, usamos um microscópio confocal de varredura caseiro, conforme apresentado na Figura  . Os defeitos V Si são excitados com um laser de 785 nm e o PL integrado é medido com um detector de fóton único de silício após filtragem com um filtro passa-longo de 800 nm. A Figura  mostra o V Si PL ao longo de uma das trilhas de dados, onde as diferentes taxas de contagem para os quatro estados lógicos 00, 01, 10 e 11 são claramente vistas. A Figura  mostra as estatísticas da taxa de contagem de PL para todos os pixels. Observamos que a largura total na metade do máximo (FWHM) de 1,6 µm é dada pela convolução do tamanho real do pixel e do tamanho do ponto do laser, sendo ambos de cerca de 1 µm. Notamos também que embora o tamanho do pixel possa ser significativamente reduzido, a resolução espacial do padrão óptico não pode ser significativamente melhorada devido ao limite de difração dado pelo comprimento de onda do laser. Podem ser vistos quatro máximos que identificamos com os quatro estados lógicos. Por fim restauramos o texto “E pur si i uove - Albe Y t it does move”. Dos 294 bits registrados, detectamos apenas dois erros de bits, levando a dois caracteres errados (destacados em negrito). Esses erros são devidos a alguma variação na intensidade do PL e podem ser corrigidos usando bits redundantes como referência para taxas de contagem. [caption id="attachment_87024" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação em escala de cinza. a) Um exemplo de fluxo digital com codificação de dois bits por pixel. A barra de escala é 10 µm. b) Taxa de contagem de fótons do V Si PL registrada ao longo de uma das trilhas de dados. Quatro níveis de taxa de contagem representam os estados lógicos de dois bits 00, 01, 10 e 11. c) Estatísticas da taxa de contagem PL sobre todos os pixels.[/caption] Para aumentar a capacidade de armazenamento, demonstramos a codificação multicamadas conforme apresentado esquematicamente na Figura  . Usamos wafers comerciais de SiC e registramos mapas da Terra em diferentes épocas geológicas. Primeiro, esses mapas são convertidos em imagens em tons de cinza de oito bits (Supporting Information) com distância entre pixels de 80 nm. Os íons He com uma energia de 25 keV são focados em um tamanho de ponto de aproximadamente 1 nm na superfície da amostra em um microscópio de íons de hélio (HIM). Para encontrar as condições ideais de gravação, realizamos uma série de experimentos com diferentes fluências de implantação, conforme descrito nas Informações de Apoio. Descobrimos que a intensidade de V Si PL aumenta quase linearmente até uma fluência de Φ max = 1 × 10 13  cm −2 . Ele satura em 5 × 10 13  cm −2 e depois cai devido ao dano induzido por íons na estrutura cristalina do SiC. A escala de cinza para escrita de feixe de íons focado  é escolhida de forma que o estado lógico máximo de 8 bits seja codificado com Φ max σ HIM . Aqui, σ HIM é a área determinada pelo desvio lateral obtido na simulação SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Outros estados de bits diminuem linearmente com a fluência de implantação. [caption id="attachment_87023" align="aligncenter" width="633"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação multicamada. a) Um esquema do meio de armazenamento óptico com camadas de dados de cerca de 250 nm de espessura, separadas por espaçadores transparentes. b) Varreduras PL confocal em profundidade através de dois pontos. Os pontos são selecionados de forma que a fluência de irradiação seja a mesma na camada dois e diferente na camada um. Devido à absorção insignificante do laser de excitação e do V Si PL no SiC, não há interferência entre as camadas. c) Um mapa da Terra de 240 milhões de anos atrás armazenado/recuperado da camada um. Uma codificação em escala

de cinza de oito bits é usada pela escrita de feixe de íons e uma codificação de três bits é reinstaurada pela leitura óptica. d) Um mapa da Terra hoje armazenado/recuperado da camada dois. A taxa de contagem de fundo de 50k cps causada pelo V Si residual é subtraída em (c, d). A taxa de contagem de 87,5 mil cps corresponde a um nível da codificação em escala de cinza de três bits.[/caption] Depois de escrever mapas individuais da Terra em wafers de SiC separados, eles são empilhados juntos (Figura  3a ). Em seguida, usamos uma configuração confocal para recuperar os mapas armazenados. Varreduras detalhadas através de diferentes pontos são mostradas na Figura  3b . O espaçador transparente nessas varreduras é dado pela espessura do wafer de 250 µm. Considerando a resolução de profundidade de 60 µm juntamente com a distância de trabalho da objetiva de 700 µm, concluímos que até dez camadas podem ser recuperadas sem interferência. Isso se deve ao fraco coeficiente de absorção de SiC nos comprimentos de onda de excitação e V Si PL, que são maiores que 380 nm, correspondendo ao bandgap 4H-SiC. Os mapas recuperados de duas camadas separadas por um espaçador são apresentados nas Figuras  3c e d . Aqui, usamos codificação de 3 bits para reconstruir os mapas. Como a separação de pixels no desenho do projeto é muito menor do que a resolução espacial óptica e a codificação de escrita é mais precisa do que a codificação de leitura, muitos detalhes são calculados em média (Informações de Suporte). Por esta razão, não podemos estimar a precisão da leitura da Figura  3 . Agora estimamos o limite de densidade de armazenamento da nossa gravação 4D. A resolução óptica lateral é dada pelo critério de Rayleigh 1,22λ/NA, onde λ = 785 nm é o comprimento de onda de excitação e NA = 0,81 é a abertura numérica da objetiva. Consideramos então dez camadas e codificação em escala de cinza de três bits para a terceira e quarta dimensões, respectivamente. Finalmente, obtemos uma densidade de armazenamento de 75 Gbit/in2 para dez camadas. 2.3 Leitura de Catodoluminescência O limite de difração do tamanho mínimo do ponto sob excitação óptica é muito maior que a área implantada no HIM. A Figura  4a mostra uma simulação SRIM da distribuição lateral e profunda dos defeitos V Si criados por íons He com energia de 25 keV. A profundidade de penetração dos íons He com esta energia é de cerca de 250 nm. Devido ao espalhamento lateral de íons dentro da camada de SiC, a área implantada tem cerca de σ HIM ≈200 nm de diâmetro. Para aumentar a resolução espacial, propomos usar CL em vez de PL. A Figura  4b mostra o desgarrado de elétrons com energia de 5 keV em SiC, simulado com o software CASINO (monte CARlo SIMulation of electroN path in sOlids). O desvio lateral é de cerca de σ CL ≈ 300 nm. Embora os elétrons com essa energia penetrem no SiC ao longo de vários µm, a simulação da profundidade é limitada a uma profundidade de 250 nm, que é a espessura da camada epitaxial de SiC usada em nossos experimentos de CL. Observamos que a leitura multicamadas não é possível neste caso. [caption id="attachment_87025" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento de dados em SiC com leitura CL. a) Simulação SRIM da criação de V Si com implantação de He com energia de pouso de 25 keV indicando desgarrado longitudinal e lateral. b) Simulação CASINO do espalhamento longitudinal e lateral de elétrons com energia de 5 keV. c) Mapa de intensidade CL do código de barras escrito com HIM. d) Espectro CL das áreas irradiadas e cultivadas. e) Leitura integrada da linha CL através do código de barras armazenado em c). As linhas sólidas são um ajuste multi-gaussiano. A inserção mostra o código de barras armazenado em (c).[/caption] Os espectros CL na faixa de 800 a 1000 nm são mostrados na Figura  4d . Há um sinal CL extremamente baixo em uma amostra cultivada em comparação com PL. A razão para isso é uma concentração cada vez mais baixa de defeitos de V Si nas camadas epitaxiais em comparação com os wafers HPSI usados ​​para PL (Seção Experimental).

Após a implantação de He a uma fluência de 5 × 10 13  cm −2 , o espectro CL tem a mesma posição de pico e largura espectral que o espectro PL da Figura  1b , demonstrando que os elétrons podem de fato excitar eficientemente os defeitos V Si . Em seguida, usamos o HIM para escrever um código de barras representado no encarte da Figura  4e . Este código de barras representa o número 916, correspondente à posição espectral de uma das linhas de fônons zero V Si em 4H-SiC. O código de barras foi criado usando linhas de pixel único com fluência de 70 íons/nm a uma energia de 25 keV usando uma corrente de íons de 0,5 pA. O código de barras recuperado com CL é apresentado na Figura  4c . Para ser espectralmente seletivo à emissão dos defeitos V Si , detectamos sinais de 800 nm (usando filtros passa-longo) a 1000 nm (dado pela sensibilidade espectral do detector de silício). Para analisar a resolução espacial, integramos o sinal ao longo das barras e traçamos a varredura linear através das barras, conforme mostrado na Figura  4e . A partir do ajuste multi-gaussiano, descobrimos que a largura total na metade do máximo (FWHM) das barras mais estreitas é de cerca de 420 nm, o que representa a resolução espacial. Este valor está em boa concordância com a resolução espacial lateral esperada dada pelo He combinado e pelo espalhamento de elétrons. De acordo com a Figura  4a,b , a resolução espacial pode ser significativamente melhorada se a profundidade de criação dos defeitos V Si for limitada a 50 nm. Isto pode ser realizado usando íons He com menor energia em combinação com camadas epitaxiais de SiC mais finas. O espalhamento lateral de íons e elétrons He é limitado, neste caso, a 30 e 40 nm, respectivamente, resultando em uma resolução espacial total de 50 nm. Corresponde à densidade de armazenamento para uma única camada próxima de 300 Gbit/in 2 , que é comparável à densidade de área de registro das fitas magnéticas mas com tempo de armazenamento muito maior e sem necessidade de migração de dados. Observamos que a densidade máxima de defeitos V Si opticamente ativos é 10 16  cm −3 ,  enquanto para concentrações mais altas a presença de canais de recombinação não radiativos devido a danos no cristal induzidos por irradiação suprime a emissão. Para tal densidade de volume, a distância média entre defeitos únicos de V Si é de 46 nm. Portanto, para atingir a densidade de armazenamento de área acima mencionada de 300 Gbit/in 2 , o único bit deve ser armazenado em um único ou em poucos defeitos V Si . A criação de um número único ou contável de defeitos V Si obedece à distribuição de Poisson. Para o valor médio de 1 V Si , a probabilidade de criar defeitos de 0 V Si é de cerca de 36,7% e a fidelidade de escrita correspondente é baixa. Porém, no limite de defeitos únicos ou poucos, a codificação binária é possível, onde o 0 lógico é representado pela ausência do sinal CL e o 1 lógico é representado pelo sinal CL diferente de zero dos defeitos V Si . Particularmente, se o valor médio for igual a 5 V Si , a probabilidade de criar um defeito de 0 V Si é inferior a 0,7%. A fidelidade de escrita correspondente definida estatisticamente estaria acima de 99,3% neste caso. O rendimento de criação de defeitos únicos de V Si usando íons He com uma energia de 6 keV é de 8,5%, o que corresponde em média a 12 íons He necessários para criar um (ou 5) centro (s) V Si . Com base nesses números, a energia mínima necessária para armazenar um único bit é estimada em 10 fJ (ou 50 fJ). Este valor não leva em consideração o consumo de energia necessário para manter a IHM funcionando. O consumo geral de energia aumenta com o número de bits e a velocidade de escrita/leitura, mas não existe tal escalonamento para a operação da HIM. Portanto, no limite de um número muito grande de bits, a energia consumida deve ser determinada pela necessária para escrever o bit individual. A velocidade de gravação alcançável é um critério importante para armazenamento de dados a longo prazo.

É limitado pela fluência necessária para a criação dos defeitos e pela corrente do feixe de íons. No entanto, este último está ligado ao tamanho do spot alcançável e, portanto, não pode ser aumentado indefinidamente. Se assumirmos uma fluência necessária de Φ He = 1,2 × 10 12  cm −2 e uma área de bits de 1000 nm 2 de acordo com os resultados apresentados acima, necessitamos da implantação de ≈12 íons He. No caso da HIM, podemos utilizar altas correntes na faixa de 2 pA, pois a resolução necessária pode ser facilmente alcançada. Nestas condições, a gravação de um único pixel requer apenas 100 ns. Portanto, nossa abordagem tem potencial para atingir uma velocidade de gravação de 10 Mbit/s (ignorando o tempo necessário para direção e atualização do feixe, que é apenas uma pequena correção). Essa velocidade de gravação é mais rápida do que em outras mídias ópticas de armazenamento de dados.  Defeitos opticamente ativos também podem ser alcançados com outros íons. Uma fonte de íons metálicos líquidos permitirá aumentar a corrente para alguns 10 nA. Desde que o tamanho do ponto de 40 nm possa ser mantido, isto resulta, no entanto, em tempos de permanência extremamente curtos, o que exigirá novos supressores de feixe de alta velocidade. Assumindo um supressor tão rápido, capaz de apagar e revelar o feixe em menos de 10 ns , uma corrente de 200 pA é necessária para atingir a fluência necessária Φ Ga . Em tal sistema FIB hipotético, velocidades de gravação de até 100 Mbit/s poderiam ser alcançadas. A velocidade de leitura é diretamente limitada pela taxa de emissão dos defeitos V Si . Para o armazenamento de dados ópticos 4D descrito na Figura   , o potencial limite superior da velocidade de leitura é de cerca de 100 kbit/s. É muito menor se bits únicos forem armazenados em defeitos únicos de V Si , estando na faixa de apenas 1 kbit/s. Alguns outros centros de cores em SiC demonstram PL muito forte, que pode fornecer velocidade de leitura de defeitos únicos superior a 1 Mbit/s.  Alternativamente, a taxa de contagem e, correspondentemente, a velocidade de leitura podem ser significativamente melhoradas coletando PL da face m do cristal de SiC  ou coletando CL de nanocristais de SiC  depositados em uma superfície condutora espelhada. 3 Conclusão Demonstramos armazenamento de dados ultralongo e de alta densidade baseado em defeitos V Si , que são criados por feixes de íons focados. Para recuperar as informações armazenadas, excitamos os defeitos V Si com um laser de 785 nm usado em drives de CD e detectamos seu PL. Em seguida, aplicamos esquemas de codificação em escala de cinza de dois e oito bits com base na intensidade PL para armazenar texto e imagens, respectivamente. As imagens são armazenadas em duas camadas e nossas estimativas mostram que até dez camadas podem ser lidas sem interferência. Neste caso, a densidade de armazenamento projetada está na faixa de dezenas de Gbit/pol 2 , o que é comparável com discos HD DVD e Blu-ray. A extrapolação do tempo de decaimento do PL ativado termicamente aponta para um tempo de armazenamento extremamente longo. Para superar o limite de difração, demonstramos então que CL pode ser usado em vez de PL para ler bits codificados em defeitos V Si opticamente ativos. Para examinar a resolução espacial, que determina a densidade de armazenamento de área, escrevemos um código de barras em 4H-SiC usando HIM e lemos usando CL. Embora a resolução espacial do CL de cerca de 360 ​​nm seja melhor do que no caso do PL, ela é limitada pelo espalhamento de íons e elétrons durante os processos de gravação e leitura, respectivamente. Ao reduzir a espessura da camada de gravação para 50 nm, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada, proporcionando o limite teórico da densidade de armazenamento de cerca de 300 Gbit/in 2 . Nossa abordagem não se limita ao SiC e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D como WS 2  e hBN.  4 Seção Experimental

Amostras As amostras de 4H-SiC foram adquiridas da STMicroelectronics (anteriormente Norstel). Para os experimentos de PL, foi utilizado um wafer 4H-SiC semi-isolante de alta pureza (HPSI). Para os experimentos de CL, foi utilizada uma camada epitaxial de 4H-SiC tipo p (nível de dopagem 1 × 10 17  cm -3 ) com espessura de 250 nm, cultivada em um substrato 4H-SiC tipo n. Um substrato condutor foi necessário para descarregar a amostra quando ela foi exposta ao feixe de elétrons em experimentos de CL. Microscópio Confocal As medições de PL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo, utilizando um microscópio confocal caseiro. Um laser acoplado a fibra de 785 nm de onda contínua (Thorlabs, LP785-SF20) foi enviado através de um filtro passa-faixa de 785 nm com uma janela de transmissão de 10 nm (AHF Analysentechnik AG, ZET785/10) e focado na amostra usando um objetiva do microscópio com NA = 0,81 otimizada para a faixa espectral NIR. A potência do laser foi controlada usando um atenuador de fibra óptica variável em linha (Thorlabs, VOA780-FC) e ajustada para aproximadamente 6 mW. Utilizando um sistema de nanoposicionamento de circuito fechado (attocube, ANPx311) ancorado ao porta-amostras, foram realizadas varreduras raster PL confocal 2D dos padrões HIM espacialmente seletivos. Para as varreduras PL em profundidade, foi considerado o índice de refração de SiC n SiC = 2,6. A emissão NIR do V Si foi coletada pela mesma objetiva enquanto os resíduos da luz laser foram limpos por um conjunto de dois filtros passa-longa de 800 nm (Thorlabs, FELH0800). O PL foi alimentado em um detector de fóton único de nanofio supercondutor acoplado a fibra de banda larga (Single Quantum) para medições de PL espectralmente integradas ou acoplado a um espectrômetro equipado com um Si-CCD (Andor Technology, iVac 324 FI) para medições de PL seletivas de comprimento de onda . Implantação de feixe de íons focado Os experimentos com feixe de prótons foram realizados nas instalações de irradiação TIARA da QST Takasaki, Japão. O acelerador de partículas de extremidade única de 3 MV foi utilizado para gerar um feixe focalizado estável com tamanho típico de 1 × 1 µm 2 , que foi estimado na estação final por imagens de elétrons secundários em uma malha de cobre. A estação final foi equipada com um estágio de precisão de dois eixos (Canon Precision) e controlou a posição do wafer SiC. A corrente do feixe através do porta-amostras foi monitorada durante a irradiação para registrar flutuações e desvios da corrente e fluência pretendidas, enquanto as correntes precisas do feixe foram avaliadas antes e depois do experimento de irradiação por um copo de Faraday conectado a um picômetro. Toda a irradiação com feixe de íons He foi realizada em um Carl Zeiss Orion NanoFAB. A máquina possui vários complementos, incluindo um supressor rápido capaz do comprimento de pulso ultracurto mencionado acima, que também é usado para TOF-SIMS.  Salvo indicação em contrário, uma pressão de hélio de2×10−6mbar, foi utilizada uma abertura de 10 µm, número de controle de ponto 4 e tensão de aceleração de 25 kV. Para reduzir a irradiação não intencional por átomos de He energéticos neutros, todos os padrões de irradiação foram colocados pelo menos 50 µm (normalmente 100 µm) fora do eixo da coluna óptica de íons. Catodoluminescência O sistema de detecção óptica comercialmente disponível (delmic SPARC) utilizado para as medições de CL foi acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (scienta omicron NanoSAM Lab). A amostra foi montada em um sistema de microposicionamento controlado por piezo. O feixe de elétrons foi direcionado através de uma abertura micrométrica do espelho parabólico e focado na superfície da amostra até um tamanho de ponto abaixo de 10 nm. Um sinal CL foi emitido quando o feixe contínuo de elétrons de 5 keV (1 nA) excita V Si no ponto focal do espelho parabólico. A resposta CL foi coletada pelo mesmo espelho parabólico e acoplada a fibra (Thorlabs,

FG300AEA) a um Si-APD (Thorlabs, APD440A) para medições CL espectralmente integradas ou acoplada a um espectrômetro equipado com uma câmera Si-CMOS (Andor Technology , Zyla 5.5 sCMOS) para medições CL seletivas de comprimento de onda. Mapas de intensidade CL 2D foram obtidos escaneando o feixe de elétrons lateralmente através do padrão HIM. Para evitar contribuições de outros defeitos luminescentes na faixa espectral visível, o sinal CL foi filtrado em passagem longa a 830 nm (Semrock, LP02-830RE-25). Todas as medições de CL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo. Reconhecimentos VD e GVA reconheceram o apoio financeiro do Cluster de Excelência em Complexidade e Topologia em Matéria Quântica de Würzburg-Dresden ct.qmat (EXC 2147, ID de projeto DFG 390858490). TO reconheceu o apoio do MEXT Q-LEAP JPMXS0118067395. M. Ho. obrigado Helmut Schultheiss pela assistência com o Blender na preparação dos esquemas na Figura  1a . GH e LB são membros da Ação COST FIT4NANO CA19140 http://www.fit4nano.eu. HK realizou trabalhos no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sob contrato com a Nastional Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). O apoio do Ion Beam Center (IBC) nas instalações de irradiação HZDR e TIARA da QST Takasaki é reconhecido com gratidão pela implantação iônica. Financiamento de acesso aberto habilitado e organizado pelo Projekt DEAL. Conflito de interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

[mirandascontalidade]

Há uma necessidade urgente de aumentar a capacidade global de armazenamento de dados, uma vez que as abordagens atuais ficam aquém do crescimento exponencial da geração de dados impulsionada pela Internet, pelas redes sociais e pelas tecnologias de nuvem. Além de aumentar a densidade de armazenamento, as novas soluções deverão fornecer arquivamento de dados de longo prazo que vai muito além da tradicional memória magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. Aqui, é proposto um conceito de arquivamento de dados de alta densidade, ultralongo e com eficiência energética, baseado em defeitos de tamanho atômico opticamente ativos em um material resistente à radiação, o carboneto de silício (SiC). A informação é escrita nesses defeitos por feixes de íons focados e lida usando fotoluminescência ou catodoluminescência. A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações sob condições ambientais. Com excitação de laser infravermelho próximo, codificação em escala de cinza e armazenamento de dados multicamadas, a densidade de área corresponde à dos discos Blu-ray. Além disso, é demonstrado que a limitação da densidade de área dos meios ópticos convencionais de armazenamento de dados devido à difração da luz pode ser superada pela excitação por feixe de elétrons focalizado. 1 Introdução Em 2012, a quantidade de dados digitais no mundo ultrapassou um Zettabyte (ZB ou 10 21 bytes), indicando o início da Era Zettabyte. Os dados gerados globalmente estão aumentando continuamente e espera-se que sejam superiores a 100 ZB/ano até 2025.  O consumo de energia dos data centers equivale a cerca de 1% da produção global de eletricidade; este número poderá aumentar para 3–13% até 2030.  O tempo de armazenamento limitado exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Isto aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida durante essa migração de dados.  A demanda por redução do consumo de energia, prolongamento do tempo de armazenamento e aumento da capacidade de big data levou a uma melhoria contínua das tecnologias atuais, como mídia magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. A memória magnética é a principal escolha para arquivamento de dados devido à sua grande capacidade de armazenamento. Um protótipo de fita magnética desenvolvido recentemente mostra um desempenho de gravação com uma densidade de armazenamento de área de 317,3 Gbit/in 2 .  O aumento da densidade de armazenamento requer a diminuição do tamanho da partícula magnética. Neste caso, as flutuações térmicas e os processos de difusão tornam-se significativos, resultando numa diminuição do tempo de armazenamento. Isto pode ser superado usando materiais com maior coercividade, o que por sua vez leva a uma maior energia necessária para armazenar um bit magnético. Por outro lado, os discos ópticos podem fornecer um tempo de armazenamento aparentemente ilimitado.  No entanto, o limite de difração restringe o menor bit de gravação à metade do comprimento de onda da luz, o que por sua vez limita a capacidade máxima de armazenamento. Usando gravação óptica multidimensional (isto é, múltiplas camadas dentro do meio, domínio espectral, codificação em escala de cinza, etc.), a capacidade de armazenamento por volume pode ser aumentada drasticamente.  Nos conceitos demonstrados, o registro óptico multidimensional é baseado na modificação do material utilizando pulsos de laser ultracurtos.  A energia necessária para escrever um único bit nessas abordagens está acima de 100 nJ/bit. Este valor é muitas ordens de magnitude maior do que para unidades de disco magnético e unidades de estado sólido, que está na faixa de 1 pJ/bit e 100 fJ/bit, respectivamente. Esses valores podem ser melhorados ainda mais reduzindo a carga de calor.  Por outro lado, o armazenamento óptico de dados não precisa ser atualizado e, portanto, não consome energia no estado ocioso.

No caso de arquivamento de dados a longo prazo, existe um compromisso entre a energia necessária para escrever um único bit e o tempo de vida do armazenamento.  Outras abordagens para armazenamento de dados de ultra-alta densidade estão em desenvolvimento. Particularmente, o armazenamento digital de dados DNA fornece a maior densidade de armazenamento por volume. Em uma abordagem alternativa, as memórias de tamanho atômico têm a maior densidade de armazenamento de área.  No entanto, os horários para escrever e ler nestes dois casos são atualmente impraticáveis. Particularmente, a velocidade de gravação está entre 0,8 e 0,07 bit/s no caso de memória de tamanho atômico. Os centros de cores no estado sólido constituem um tipo alternativo de armazenamento em escala atômica. De facto, foi demonstrado o armazenamento de dados utilizando os centros de vacância de azoto (NV) no diamante. A codificação de bits é realizada usando controle de estado de carga com luz laser e a leitura é realizada via fotoluminescência (PL). No entanto, os padrões de bits são armazenados nos centros NV por apenas mais de uma semana no escuro, o que não é suficiente para uso prático. Aqui, propomos um conceito de armazenamento de dados WORM (write once read many) de longo prazo baseado em carboneto de silício (SiC), conforme mostrado esquematicamente na Figura . O SiC hospeda centros de cores em escala atômica, especialmente a vacância de silício (VSi ) , ou seja, a ausência de átomo de silício no sítio da rede. Possui uma ampla banda PL à temperatura ambiente na faixa espectral do infravermelho próximo (NIR). Os defeitos V Si são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica é superado pelos esquemas de codificação 4D. Nestes esquemas, as três dimensões espaciais e a quarta dimensão de intensidade adicional (codificação em escala de cinza) são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos V Si através da energia iônica e da fluência, respectivamente. Um microscópio confocal de varredura PL é usado para ler opticamente os dados armazenados. Alternativamente, o uso de catodoluminescência (CL) em vez de PL pode melhorar drasticamente a densidade de armazenamento de área. [caption id="attachment_87019" align="aligncenter" width="633"] Um conceito de armazenamento óptico de dados de longo prazo em SiC. a) A informação é escrita em defeitos atômicos opticamente ativos por um feixe de íons focado e lida usando o defeito PL ou CL. O comprimento de onda de excitação é 785 nm. b) Espectro PL típico em HPSI SiC cultivado e após irradiação iônica. c) O decaimento da intensidade de V Si PL em diferentes temperaturas. As linhas sólidas são adequadas para exp (− t /τ) e as linhas tracejadas representam extrapolação para um tempo de recozimento mais longo t . d) Gráfico de Arrhenius da taxa de decaimento PL 1/τ. A área sombreada ao redor da linha sólida representa a tolerância dos valores extrapolados. À temperatura ambiente, as informações em V Si podem ser armazenadas por mais de dez milhões de anos.[/caption] 2 Resultados e Discussão Para nossos estudos, utilizamos wafers comerciais de 4H-SiC. Para criar vagas atômicas, realizamos irradiação de prótons com fluência de 1 × 10 15  cm −2 . Em seguida, medimos PL de V Si na faixa espectral de 800 a 1000 nm sob excitação ideal a 785 nm.  Os espectros de PL à temperatura ambiente na amostra cultivada e medidos após a irradiação são mostrados na Figura   , indicando uma ativação clara de defeitos V Si opticamente ativos sem qualquer tratamento pós-irradiação. Além disso, realizamos experimentos de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) em áreas implantadas ( Informações de Apoio ). A observação do pico ODMR a 70 MHz é uma indicação clara dos defeitos V Si no 4H-SiC. 

2.1 Tempo de armazenamento Está bem estabelecido que a temperatura ideal de recozimento para curar a rede dos danos da irradiação e simultaneamente preservar o V Si está na faixa de 500 - 600°C.  Em temperaturas de recozimento mais altas, os defeitos V Si são rapidamente removidos. Investigamos agora em detalhes a dependência da intensidade PL integrada no tempo de duração do recozimento t para diferentes temperaturas de recozimento T . Para curar o cristal dos danos da irradiação, partimos de baixas temperaturas de recozimento em etapas de 100°C e duração de 90 min em cada etapa. Todos os experimentos de recozimento são realizados em atmosfera Ar. O recozimento leva a um aumento inicial da intensidade do PL em aproximadamente 52%. Quando observamos que o PL começa a cair a 640°C, paramos para aumentar a temperatura e realizamos várias séries de experimentos de recozimento em temperaturas mais baixas, variando o tempo de recozimento. No início de cada série de temperaturas, os valores de temperatura adequados e os tempos de recozimento associados são determinados pelo teste. Na etapa final, realizamos o recozimento a uma temperatura mais elevada de 900°C até o completo desaparecimento do PL e confirmação do decaimento mono-exponencial. Para aumentar a precisão e garantir a repetibilidade da alteração relativa do PL, todas as medições de recozimento são realizadas na mesma amostra e na mesma área. O histórico completo de recozimento da amostra é apresentado nas Informações de Apoio. A tendência geral é que quanto menor a temperatura de recozimento, maior será o tempo de recozimento necessário para observar quaisquer alterações de PL . Notavelmente, mesmo a T = 400°C, uma diminuição muito pequena, mas diferente de zero, na intensidade de PL é detectável durante um longo tempo de recozimento de 6 h.  A temperatura mais alta T = 900°C é escolhida como a última das quatro séries de recozimento, de modo que são necessários tempos de recozimento curtos na faixa de minutos para observar decaimento PL significativo. Finalmente, os experimentos desta série são realizados até que nenhum defeito V Si opticamente ativo seja mais observado. O recozimento a 900°C mostra um decaimento exponencial completo, que pode ser ajustado para exp (− t /τ), como mostrado pela linha sólida na Figura. Para temperaturas de recozimento mais baixas, a variação do PL é pequena e o ajuste é dado pelo primeiro termo do expoente da expansão de Taylor 1 − t /τ. A dependência do tempo de decaimento PL τ com a temperatura é determinada pela energia de ativação E a , de acordo com a lei de Arrhenius  aqui, k B é a constante de Boltzmann. O gráfico de Arrhenius de 1/τ em função da temperatura é apresentado na Figura. A partir do ajuste à Equação, obtemos E a = 860 ± 10 meV. Para efeito de comparação, a energia térmica à temperatura ambiente é de 26 meV. Com o fator de frequência A = 1,6 ± 0,1 Hz, extrapolamos o tempo de decaimento do PL para τ = 1,1 × 10 7  anos à temperatura ambiente T = 22°C e τ = 0,9 × 10 4  anos no ponto de ebulição da água sob pressão padrão T = 100ºC. A extrapolação durante um período tão longo resulta em um erro muito grande. Mas obviamente, o meio de informação baseado nos defeitos V Si no SiC pode preservar a informação ao longo de algumas gerações, ou seja, no mínimo algumas centenas de anos. 2.2 Armazenamento de dados com codificação em escala de cinza A seguir, registramos o texto “E pur si muove - Embora ele se mova” de Galileo Galilei em defeitos V Si opticamente ativos . Para realizar a gravação digital, convertemos este texto para a representação hexadecimal do código ASCII, conforme descrito nas Informações de Apoio. Criamos defeitos V Si usando um microfeixe de prótons focado em um ponto redondo de aproximadamente 1 µm de diâmetro.  Um esquema de codificação de dois bits é usado para cada pixel de implantação. Implantamos 4 × 10 6 prótons para escrever 01 e, correspondentemente, dobramos e triplicamos esse valor para escrever 10 e 11.

A ausência de implantação corresponde a 00. Nenhum recozimento pós-implantação é realizado e os dados podem ser lidos imediatamente após a gravação . Para recuperar o fluxo digital gravado, usamos um microscópio confocal de varredura caseiro, conforme apresentado na Figura  . Os defeitos V Si são excitados com um laser de 785 nm e o PL integrado é medido com um detector de fóton único de silício após filtragem com um filtro passa-longo de 800 nm. A Figura  mostra o V Si PL ao longo de uma das trilhas de dados, onde as diferentes taxas de contagem para os quatro estados lógicos 00, 01, 10 e 11 são claramente vistas. A Figura  mostra as estatísticas da taxa de contagem de PL para todos os pixels. Observamos que a largura total na metade do máximo (FWHM) de 1,6 µm é dada pela convolução do tamanho real do pixel e do tamanho do ponto do laser, sendo ambos de cerca de 1 µm. Notamos também que embora o tamanho do pixel possa ser significativamente reduzido, a resolução espacial do padrão óptico não pode ser significativamente melhorada devido ao limite de difração dado pelo comprimento de onda do laser. Podem ser vistos quatro máximos que identificamos com os quatro estados lógicos. Por fim restauramos o texto “E pur si i uove - Albe Y t it does move”. Dos 294 bits registrados, detectamos apenas dois erros de bits, levando a dois caracteres errados (destacados em negrito). Esses erros são devidos a alguma variação na intensidade do PL e podem ser corrigidos usando bits redundantes como referência para taxas de contagem. [caption id="attachment_87024" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação em escala de cinza. a) Um exemplo de fluxo digital com codificação de dois bits por pixel. A barra de escala é 10 µm. b) Taxa de contagem de fótons do V Si PL registrada ao longo de uma das trilhas de dados. Quatro níveis de taxa de contagem representam os estados lógicos de dois bits 00, 01, 10 e 11. c) Estatísticas da taxa de contagem PL sobre todos os pixels.[/caption] Para aumentar a capacidade de armazenamento, demonstramos a codificação multicamadas conforme apresentado esquematicamente na Figura  . Usamos wafers comerciais de SiC e registramos mapas da Terra em diferentes épocas geológicas. Primeiro, esses mapas são convertidos em imagens em tons de cinza de oito bits (Supporting Information) com distância entre pixels de 80 nm. Os íons He com uma energia de 25 keV são focados em um tamanho de ponto de aproximadamente 1 nm na superfície da amostra em um microscópio de íons de hélio (HIM). Para encontrar as condições ideais de gravação, realizamos uma série de experimentos com diferentes fluências de implantação, conforme descrito nas Informações de Apoio. Descobrimos que a intensidade de V Si PL aumenta quase linearmente até uma fluência de Φ max = 1 × 10 13  cm −2 . Ele satura em 5 × 10 13  cm −2 e depois cai devido ao dano induzido por íons na estrutura cristalina do SiC. A escala de cinza para escrita de feixe de íons focado  é escolhida de forma que o estado lógico máximo de 8 bits seja codificado com Φ max σ HIM . Aqui, σ HIM é a área determinada pelo desvio lateral obtido na simulação SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Outros estados de bits diminuem linearmente com a fluência de implantação. [caption id="attachment_87023" align="aligncenter" width="633"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação multicamada. a) Um esquema do meio de armazenamento óptico com camadas de dados de cerca de 250 nm de espessura, separadas por espaçadores transparentes. b) Varreduras PL confocal em profundidade através de dois pontos. Os pontos são selecionados de forma que a fluência de irradiação seja a mesma na camada dois e diferente na camada um. Devido à absorção insignificante do laser de excitação e do V Si PL no SiC, não há interferência entre as camadas. c) Um mapa da Terra de 240 milhões de anos atrás armazenado/recuperado da camada um. Uma codificação em escala

de cinza de oito bits é usada pela escrita de feixe de íons e uma codificação de três bits é reinstaurada pela leitura óptica. d) Um mapa da Terra hoje armazenado/recuperado da camada dois. A taxa de contagem de fundo de 50k cps causada pelo V Si residual é subtraída em (c, d). A taxa de contagem de 87,5 mil cps corresponde a um nível da codificação em escala de cinza de três bits.[/caption] Depois de escrever mapas individuais da Terra em wafers de SiC separados, eles são empilhados juntos (Figura  3a ). Em seguida, usamos uma configuração confocal para recuperar os mapas armazenados. Varreduras detalhadas através de diferentes pontos são mostradas na Figura  3b . O espaçador transparente nessas varreduras é dado pela espessura do wafer de 250 µm. Considerando a resolução de profundidade de 60 µm juntamente com a distância de trabalho da objetiva de 700 µm, concluímos que até dez camadas podem ser recuperadas sem interferência. Isso se deve ao fraco coeficiente de absorção de SiC nos comprimentos de onda de excitação e V Si PL, que são maiores que 380 nm, correspondendo ao bandgap 4H-SiC. Os mapas recuperados de duas camadas separadas por um espaçador são apresentados nas Figuras  3c e d . Aqui, usamos codificação de 3 bits para reconstruir os mapas. Como a separação de pixels no desenho do projeto é muito menor do que a resolução espacial óptica e a codificação de escrita é mais precisa do que a codificação de leitura, muitos detalhes são calculados em média (Informações de Suporte). Por esta razão, não podemos estimar a precisão da leitura da Figura  3 . Agora estimamos o limite de densidade de armazenamento da nossa gravação 4D. A resolução óptica lateral é dada pelo critério de Rayleigh 1,22λ/NA, onde λ = 785 nm é o comprimento de onda de excitação e NA = 0,81 é a abertura numérica da objetiva. Consideramos então dez camadas e codificação em escala de cinza de três bits para a terceira e quarta dimensões, respectivamente. Finalmente, obtemos uma densidade de armazenamento de 75 Gbit/in2 para dez camadas. 2.3 Leitura de Catodoluminescência O limite de difração do tamanho mínimo do ponto sob excitação óptica é muito maior que a área implantada no HIM. A Figura  4a mostra uma simulação SRIM da distribuição lateral e profunda dos defeitos V Si criados por íons He com energia de 25 keV. A profundidade de penetração dos íons He com esta energia é de cerca de 250 nm. Devido ao espalhamento lateral de íons dentro da camada de SiC, a área implantada tem cerca de σ HIM ≈200 nm de diâmetro. Para aumentar a resolução espacial, propomos usar CL em vez de PL. A Figura  4b mostra o desgarrado de elétrons com energia de 5 keV em SiC, simulado com o software CASINO (monte CARlo SIMulation of electroN path in sOlids). O desvio lateral é de cerca de σ CL ≈ 300 nm. Embora os elétrons com essa energia penetrem no SiC ao longo de vários µm, a simulação da profundidade é limitada a uma profundidade de 250 nm, que é a espessura da camada epitaxial de SiC usada em nossos experimentos de CL. Observamos que a leitura multicamadas não é possível neste caso. [caption id="attachment_87025" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento de dados em SiC com leitura CL. a) Simulação SRIM da criação de V Si com implantação de He com energia de pouso de 25 keV indicando desgarrado longitudinal e lateral. b) Simulação CASINO do espalhamento longitudinal e lateral de elétrons com energia de 5 keV. c) Mapa de intensidade CL do código de barras escrito com HIM. d) Espectro CL das áreas irradiadas e cultivadas. e) Leitura integrada da linha CL através do código de barras armazenado em c). As linhas sólidas são um ajuste multi-gaussiano. A inserção mostra o código de barras armazenado em (c).[/caption] Os espectros CL na faixa de 800 a 1000 nm são mostrados na Figura  4d . Há um sinal CL extremamente baixo em uma amostra cultivada em comparação com PL. A razão para isso é uma concentração cada vez mais baixa de defeitos de V Si nas camadas epitaxiais em comparação com os wafers HPSI usados ​​para PL (Seção Experimental).

Após a implantação de He a uma fluência de 5 × 10 13  cm −2 , o espectro CL tem a mesma posição de pico e largura espectral que o espectro PL da Figura  1b , demonstrando que os elétrons podem de fato excitar eficientemente os defeitos V Si . Em seguida, usamos o HIM para escrever um código de barras representado no encarte da Figura  4e . Este código de barras representa o número 916, correspondente à posição espectral de uma das linhas de fônons zero V Si em 4H-SiC. O código de barras foi criado usando linhas de pixel único com fluência de 70 íons/nm a uma energia de 25 keV usando uma corrente de íons de 0,5 pA. O código de barras recuperado com CL é apresentado na Figura  4c . Para ser espectralmente seletivo à emissão dos defeitos V Si , detectamos sinais de 800 nm (usando filtros passa-longo) a 1000 nm (dado pela sensibilidade espectral do detector de silício). Para analisar a resolução espacial, integramos o sinal ao longo das barras e traçamos a varredura linear através das barras, conforme mostrado na Figura  4e . A partir do ajuste multi-gaussiano, descobrimos que a largura total na metade do máximo (FWHM) das barras mais estreitas é de cerca de 420 nm, o que representa a resolução espacial. Este valor está em boa concordância com a resolução espacial lateral esperada dada pelo He combinado e pelo espalhamento de elétrons. De acordo com a Figura  4a,b , a resolução espacial pode ser significativamente melhorada se a profundidade de criação dos defeitos V Si for limitada a 50 nm. Isto pode ser realizado usando íons He com menor energia em combinação com camadas epitaxiais de SiC mais finas. O espalhamento lateral de íons e elétrons He é limitado, neste caso, a 30 e 40 nm, respectivamente, resultando em uma resolução espacial total de 50 nm. Corresponde à densidade de armazenamento para uma única camada próxima de 300 Gbit/in 2 , que é comparável à densidade de área de registro das fitas magnéticas mas com tempo de armazenamento muito maior e sem necessidade de migração de dados. Observamos que a densidade máxima de defeitos V Si opticamente ativos é 10 16  cm −3 ,  enquanto para concentrações mais altas a presença de canais de recombinação não radiativos devido a danos no cristal induzidos por irradiação suprime a emissão. Para tal densidade de volume, a distância média entre defeitos únicos de V Si é de 46 nm. Portanto, para atingir a densidade de armazenamento de área acima mencionada de 300 Gbit/in 2 , o único bit deve ser armazenado em um único ou em poucos defeitos V Si . A criação de um número único ou contável de defeitos V Si obedece à distribuição de Poisson. Para o valor médio de 1 V Si , a probabilidade de criar defeitos de 0 V Si é de cerca de 36,7% e a fidelidade de escrita correspondente é baixa. Porém, no limite de defeitos únicos ou poucos, a codificação binária é possível, onde o 0 lógico é representado pela ausência do sinal CL e o 1 lógico é representado pelo sinal CL diferente de zero dos defeitos V Si . Particularmente, se o valor médio for igual a 5 V Si , a probabilidade de criar um defeito de 0 V Si é inferior a 0,7%. A fidelidade de escrita correspondente definida estatisticamente estaria acima de 99,3% neste caso. O rendimento de criação de defeitos únicos de V Si usando íons He com uma energia de 6 keV é de 8,5%, o que corresponde em média a 12 íons He necessários para criar um (ou 5) centro (s) V Si . Com base nesses números, a energia mínima necessária para armazenar um único bit é estimada em 10 fJ (ou 50 fJ). Este valor não leva em consideração o consumo de energia necessário para manter a IHM funcionando. O consumo geral de energia aumenta com o número de bits e a velocidade de escrita/leitura, mas não existe tal escalonamento para a operação da HIM. Portanto, no limite de um número muito grande de bits, a energia consumida deve ser determinada pela necessária para escrever o bit individual. A velocidade de gravação alcançável é um critério importante para armazenamento de dados a longo prazo.

É limitado pela fluência necessária para a criação dos defeitos e pela corrente do feixe de íons. No entanto, este último está ligado ao tamanho do spot alcançável e, portanto, não pode ser aumentado indefinidamente. Se assumirmos uma fluência necessária de Φ He = 1,2 × 10 12  cm −2 e uma área de bits de 1000 nm 2 de acordo com os resultados apresentados acima, necessitamos da implantação de ≈12 íons He. No caso da HIM, podemos utilizar altas correntes na faixa de 2 pA, pois a resolução necessária pode ser facilmente alcançada. Nestas condições, a gravação de um único pixel requer apenas 100 ns. Portanto, nossa abordagem tem potencial para atingir uma velocidade de gravação de 10 Mbit/s (ignorando o tempo necessário para direção e atualização do feixe, que é apenas uma pequena correção). Essa velocidade de gravação é mais rápida do que em outras mídias ópticas de armazenamento de dados.  Defeitos opticamente ativos também podem ser alcançados com outros íons. Uma fonte de íons metálicos líquidos permitirá aumentar a corrente para alguns 10 nA. Desde que o tamanho do ponto de 40 nm possa ser mantido, isto resulta, no entanto, em tempos de permanência extremamente curtos, o que exigirá novos supressores de feixe de alta velocidade. Assumindo um supressor tão rápido, capaz de apagar e revelar o feixe em menos de 10 ns , uma corrente de 200 pA é necessária para atingir a fluência necessária Φ Ga . Em tal sistema FIB hipotético, velocidades de gravação de até 100 Mbit/s poderiam ser alcançadas. A velocidade de leitura é diretamente limitada pela taxa de emissão dos defeitos V Si . Para o armazenamento de dados ópticos 4D descrito na Figura   , o potencial limite superior da velocidade de leitura é de cerca de 100 kbit/s. É muito menor se bits únicos forem armazenados em defeitos únicos de V Si , estando na faixa de apenas 1 kbit/s. Alguns outros centros de cores em SiC demonstram PL muito forte, que pode fornecer velocidade de leitura de defeitos únicos superior a 1 Mbit/s.  Alternativamente, a taxa de contagem e, correspondentemente, a velocidade de leitura podem ser significativamente melhoradas coletando PL da face m do cristal de SiC  ou coletando CL de nanocristais de SiC  depositados em uma superfície condutora espelhada. 3 Conclusão Demonstramos armazenamento de dados ultralongo e de alta densidade baseado em defeitos V Si , que são criados por feixes de íons focados. Para recuperar as informações armazenadas, excitamos os defeitos V Si com um laser de 785 nm usado em drives de CD e detectamos seu PL. Em seguida, aplicamos esquemas de codificação em escala de cinza de dois e oito bits com base na intensidade PL para armazenar texto e imagens, respectivamente. As imagens são armazenadas em duas camadas e nossas estimativas mostram que até dez camadas podem ser lidas sem interferência. Neste caso, a densidade de armazenamento projetada está na faixa de dezenas de Gbit/pol 2 , o que é comparável com discos HD DVD e Blu-ray. A extrapolação do tempo de decaimento do PL ativado termicamente aponta para um tempo de armazenamento extremamente longo. Para superar o limite de difração, demonstramos então que CL pode ser usado em vez de PL para ler bits codificados em defeitos V Si opticamente ativos. Para examinar a resolução espacial, que determina a densidade de armazenamento de área, escrevemos um código de barras em 4H-SiC usando HIM e lemos usando CL. Embora a resolução espacial do CL de cerca de 360 ​​nm seja melhor do que no caso do PL, ela é limitada pelo espalhamento de íons e elétrons durante os processos de gravação e leitura, respectivamente. Ao reduzir a espessura da camada de gravação para 50 nm, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada, proporcionando o limite teórico da densidade de armazenamento de cerca de 300 Gbit/in 2 . Nossa abordagem não se limita ao SiC e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D como WS 2  e hBN.  4 Seção Experimental

Amostras As amostras de 4H-SiC foram adquiridas da STMicroelectronics (anteriormente Norstel). Para os experimentos de PL, foi utilizado um wafer 4H-SiC semi-isolante de alta pureza (HPSI). Para os experimentos de CL, foi utilizada uma camada epitaxial de 4H-SiC tipo p (nível de dopagem 1 × 10 17  cm -3 ) com espessura de 250 nm, cultivada em um substrato 4H-SiC tipo n. Um substrato condutor foi necessário para descarregar a amostra quando ela foi exposta ao feixe de elétrons em experimentos de CL. Microscópio Confocal As medições de PL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo, utilizando um microscópio confocal caseiro. Um laser acoplado a fibra de 785 nm de onda contínua (Thorlabs, LP785-SF20) foi enviado através de um filtro passa-faixa de 785 nm com uma janela de transmissão de 10 nm (AHF Analysentechnik AG, ZET785/10) e focado na amostra usando um objetiva do microscópio com NA = 0,81 otimizada para a faixa espectral NIR. A potência do laser foi controlada usando um atenuador de fibra óptica variável em linha (Thorlabs, VOA780-FC) e ajustada para aproximadamente 6 mW. Utilizando um sistema de nanoposicionamento de circuito fechado (attocube, ANPx311) ancorado ao porta-amostras, foram realizadas varreduras raster PL confocal 2D dos padrões HIM espacialmente seletivos. Para as varreduras PL em profundidade, foi considerado o índice de refração de SiC n SiC = 2,6. A emissão NIR do V Si foi coletada pela mesma objetiva enquanto os resíduos da luz laser foram limpos por um conjunto de dois filtros passa-longa de 800 nm (Thorlabs, FELH0800). O PL foi alimentado em um detector de fóton único de nanofio supercondutor acoplado a fibra de banda larga (Single Quantum) para medições de PL espectralmente integradas ou acoplado a um espectrômetro equipado com um Si-CCD (Andor Technology, iVac 324 FI) para medições de PL seletivas de comprimento de onda . Implantação de feixe de íons focado Os experimentos com feixe de prótons foram realizados nas instalações de irradiação TIARA da QST Takasaki, Japão. O acelerador de partículas de extremidade única de 3 MV foi utilizado para gerar um feixe focalizado estável com tamanho típico de 1 × 1 µm 2 , que foi estimado na estação final por imagens de elétrons secundários em uma malha de cobre. A estação final foi equipada com um estágio de precisão de dois eixos (Canon Precision) e controlou a posição do wafer SiC. A corrente do feixe através do porta-amostras foi monitorada durante a irradiação para registrar flutuações e desvios da corrente e fluência pretendidas, enquanto as correntes precisas do feixe foram avaliadas antes e depois do experimento de irradiação por um copo de Faraday conectado a um picômetro. Toda a irradiação com feixe de íons He foi realizada em um Carl Zeiss Orion NanoFAB. A máquina possui vários complementos, incluindo um supressor rápido capaz do comprimento de pulso ultracurto mencionado acima, que também é usado para TOF-SIMS.  Salvo indicação em contrário, uma pressão de hélio de2×10−6mbar, foi utilizada uma abertura de 10 µm, número de controle de ponto 4 e tensão de aceleração de 25 kV. Para reduzir a irradiação não intencional por átomos de He energéticos neutros, todos os padrões de irradiação foram colocados pelo menos 50 µm (normalmente 100 µm) fora do eixo da coluna óptica de íons. Catodoluminescência O sistema de detecção óptica comercialmente disponível (delmic SPARC) utilizado para as medições de CL foi acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (scienta omicron NanoSAM Lab). A amostra foi montada em um sistema de microposicionamento controlado por piezo. O feixe de elétrons foi direcionado através de uma abertura micrométrica do espelho parabólico e focado na superfície da amostra até um tamanho de ponto abaixo de 10 nm. Um sinal CL foi emitido quando o feixe contínuo de elétrons de 5 keV (1 nA) excita V Si no ponto focal do espelho parabólico. A resposta CL foi coletada pelo mesmo espelho parabólico e acoplada a fibra (Thorlabs,

FG300AEA) a um Si-APD (Thorlabs, APD440A) para medições CL espectralmente integradas ou acoplada a um espectrômetro equipado com uma câmera Si-CMOS (Andor Technology , Zyla 5.5 sCMOS) para medições CL seletivas de comprimento de onda. Mapas de intensidade CL 2D foram obtidos escaneando o feixe de elétrons lateralmente através do padrão HIM. Para evitar contribuições de outros defeitos luminescentes na faixa espectral visível, o sinal CL foi filtrado em passagem longa a 830 nm (Semrock, LP02-830RE-25). Todas as medições de CL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo. Reconhecimentos VD e GVA reconheceram o apoio financeiro do Cluster de Excelência em Complexidade e Topologia em Matéria Quântica de Würzburg-Dresden ct.qmat (EXC 2147, ID de projeto DFG 390858490). TO reconheceu o apoio do MEXT Q-LEAP JPMXS0118067395. M. Ho. obrigado Helmut Schultheiss pela assistência com o Blender na preparação dos esquemas na Figura  1a . GH e LB são membros da Ação COST FIT4NANO CA19140 http://www.fit4nano.eu. HK realizou trabalhos no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sob contrato com a Nastional Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). O apoio do Ion Beam Center (IBC) nas instalações de irradiação HZDR e TIARA da QST Takasaki é reconhecido com gratidão pela implantação iônica. Financiamento de acesso aberto habilitado e organizado pelo Projekt DEAL. Conflito de interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

[internacoesvidanova]

Há uma necessidade urgente de aumentar a capacidade global de armazenamento de dados, uma vez que as abordagens atuais ficam aquém do crescimento exponencial da geração de dados impulsionada pela Internet, pelas redes sociais e pelas tecnologias de nuvem. Além de aumentar a densidade de armazenamento, as novas soluções deverão fornecer arquivamento de dados de longo prazo que vai muito além da tradicional memória magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. Aqui, é proposto um conceito de arquivamento de dados de alta densidade, ultralongo e com eficiência energética, baseado em defeitos de tamanho atômico opticamente ativos em um material resistente à radiação, o carboneto de silício (SiC). A informação é escrita nesses defeitos por feixes de íons focados e lida usando fotoluminescência ou catodoluminescência. A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações sob condições ambientais. Com excitação de laser infravermelho próximo, codificação em escala de cinza e armazenamento de dados multicamadas, a densidade de área corresponde à dos discos Blu-ray. Além disso, é demonstrado que a limitação da densidade de área dos meios ópticos convencionais de armazenamento de dados devido à difração da luz pode ser superada pela excitação por feixe de elétrons focalizado. 1 Introdução Em 2012, a quantidade de dados digitais no mundo ultrapassou um Zettabyte (ZB ou 10 21 bytes), indicando o início da Era Zettabyte. Os dados gerados globalmente estão aumentando continuamente e espera-se que sejam superiores a 100 ZB/ano até 2025.  O consumo de energia dos data centers equivale a cerca de 1% da produção global de eletricidade; este número poderá aumentar para 3–13% até 2030.  O tempo de armazenamento limitado exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Isto aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida durante essa migração de dados.  A demanda por redução do consumo de energia, prolongamento do tempo de armazenamento e aumento da capacidade de big data levou a uma melhoria contínua das tecnologias atuais, como mídia magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. A memória magnética é a principal escolha para arquivamento de dados devido à sua grande capacidade de armazenamento. Um protótipo de fita magnética desenvolvido recentemente mostra um desempenho de gravação com uma densidade de armazenamento de área de 317,3 Gbit/in 2 .  O aumento da densidade de armazenamento requer a diminuição do tamanho da partícula magnética. Neste caso, as flutuações térmicas e os processos de difusão tornam-se significativos, resultando numa diminuição do tempo de armazenamento. Isto pode ser superado usando materiais com maior coercividade, o que por sua vez leva a uma maior energia necessária para armazenar um bit magnético. Por outro lado, os discos ópticos podem fornecer um tempo de armazenamento aparentemente ilimitado.  No entanto, o limite de difração restringe o menor bit de gravação à metade do comprimento de onda da luz, o que por sua vez limita a capacidade máxima de armazenamento. Usando gravação óptica multidimensional (isto é, múltiplas camadas dentro do meio, domínio espectral, codificação em escala de cinza, etc.), a capacidade de armazenamento por volume pode ser aumentada drasticamente.  Nos conceitos demonstrados, o registro óptico multidimensional é baseado na modificação do material utilizando pulsos de laser ultracurtos.  A energia necessária para escrever um único bit nessas abordagens está acima de 100 nJ/bit. Este valor é muitas ordens de magnitude maior do que para unidades de disco magnético e unidades de estado sólido, que está na faixa de 1 pJ/bit e 100 fJ/bit, respectivamente. Esses valores podem ser melhorados ainda mais reduzindo a carga de calor.  Por outro lado, o armazenamento óptico de dados não precisa ser atualizado e, portanto, não consome energia no estado ocioso.

No caso de arquivamento de dados a longo prazo, existe um compromisso entre a energia necessária para escrever um único bit e o tempo de vida do armazenamento.  Outras abordagens para armazenamento de dados de ultra-alta densidade estão em desenvolvimento. Particularmente, o armazenamento digital de dados DNA fornece a maior densidade de armazenamento por volume. Em uma abordagem alternativa, as memórias de tamanho atômico têm a maior densidade de armazenamento de área.  No entanto, os horários para escrever e ler nestes dois casos são atualmente impraticáveis. Particularmente, a velocidade de gravação está entre 0,8 e 0,07 bit/s no caso de memória de tamanho atômico. Os centros de cores no estado sólido constituem um tipo alternativo de armazenamento em escala atômica. De facto, foi demonstrado o armazenamento de dados utilizando os centros de vacância de azoto (NV) no diamante. A codificação de bits é realizada usando controle de estado de carga com luz laser e a leitura é realizada via fotoluminescência (PL). No entanto, os padrões de bits são armazenados nos centros NV por apenas mais de uma semana no escuro, o que não é suficiente para uso prático. Aqui, propomos um conceito de armazenamento de dados WORM (write once read many) de longo prazo baseado em carboneto de silício (SiC), conforme mostrado esquematicamente na Figura . O SiC hospeda centros de cores em escala atômica, especialmente a vacância de silício (VSi ) , ou seja, a ausência de átomo de silício no sítio da rede. Possui uma ampla banda PL à temperatura ambiente na faixa espectral do infravermelho próximo (NIR). Os defeitos V Si são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica é superado pelos esquemas de codificação 4D. Nestes esquemas, as três dimensões espaciais e a quarta dimensão de intensidade adicional (codificação em escala de cinza) são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos V Si através da energia iônica e da fluência, respectivamente. Um microscópio confocal de varredura PL é usado para ler opticamente os dados armazenados. Alternativamente, o uso de catodoluminescência (CL) em vez de PL pode melhorar drasticamente a densidade de armazenamento de área. [caption id="attachment_87019" align="aligncenter" width="633"] Um conceito de armazenamento óptico de dados de longo prazo em SiC. a) A informação é escrita em defeitos atômicos opticamente ativos por um feixe de íons focado e lida usando o defeito PL ou CL. O comprimento de onda de excitação é 785 nm. b) Espectro PL típico em HPSI SiC cultivado e após irradiação iônica. c) O decaimento da intensidade de V Si PL em diferentes temperaturas. As linhas sólidas são adequadas para exp (− t /τ) e as linhas tracejadas representam extrapolação para um tempo de recozimento mais longo t . d) Gráfico de Arrhenius da taxa de decaimento PL 1/τ. A área sombreada ao redor da linha sólida representa a tolerância dos valores extrapolados. À temperatura ambiente, as informações em V Si podem ser armazenadas por mais de dez milhões de anos.[/caption] 2 Resultados e Discussão Para nossos estudos, utilizamos wafers comerciais de 4H-SiC. Para criar vagas atômicas, realizamos irradiação de prótons com fluência de 1 × 10 15  cm −2 . Em seguida, medimos PL de V Si na faixa espectral de 800 a 1000 nm sob excitação ideal a 785 nm.  Os espectros de PL à temperatura ambiente na amostra cultivada e medidos após a irradiação são mostrados na Figura   , indicando uma ativação clara de defeitos V Si opticamente ativos sem qualquer tratamento pós-irradiação. Além disso, realizamos experimentos de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) em áreas implantadas ( Informações de Apoio ). A observação do pico ODMR a 70 MHz é uma indicação clara dos defeitos V Si no 4H-SiC. 

2.1 Tempo de armazenamento Está bem estabelecido que a temperatura ideal de recozimento para curar a rede dos danos da irradiação e simultaneamente preservar o V Si está na faixa de 500 - 600°C.  Em temperaturas de recozimento mais altas, os defeitos V Si são rapidamente removidos. Investigamos agora em detalhes a dependência da intensidade PL integrada no tempo de duração do recozimento t para diferentes temperaturas de recozimento T . Para curar o cristal dos danos da irradiação, partimos de baixas temperaturas de recozimento em etapas de 100°C e duração de 90 min em cada etapa. Todos os experimentos de recozimento são realizados em atmosfera Ar. O recozimento leva a um aumento inicial da intensidade do PL em aproximadamente 52%. Quando observamos que o PL começa a cair a 640°C, paramos para aumentar a temperatura e realizamos várias séries de experimentos de recozimento em temperaturas mais baixas, variando o tempo de recozimento. No início de cada série de temperaturas, os valores de temperatura adequados e os tempos de recozimento associados são determinados pelo teste. Na etapa final, realizamos o recozimento a uma temperatura mais elevada de 900°C até o completo desaparecimento do PL e confirmação do decaimento mono-exponencial. Para aumentar a precisão e garantir a repetibilidade da alteração relativa do PL, todas as medições de recozimento são realizadas na mesma amostra e na mesma área. O histórico completo de recozimento da amostra é apresentado nas Informações de Apoio. A tendência geral é que quanto menor a temperatura de recozimento, maior será o tempo de recozimento necessário para observar quaisquer alterações de PL . Notavelmente, mesmo a T = 400°C, uma diminuição muito pequena, mas diferente de zero, na intensidade de PL é detectável durante um longo tempo de recozimento de 6 h.  A temperatura mais alta T = 900°C é escolhida como a última das quatro séries de recozimento, de modo que são necessários tempos de recozimento curtos na faixa de minutos para observar decaimento PL significativo. Finalmente, os experimentos desta série são realizados até que nenhum defeito V Si opticamente ativo seja mais observado. O recozimento a 900°C mostra um decaimento exponencial completo, que pode ser ajustado para exp (− t /τ), como mostrado pela linha sólida na Figura. Para temperaturas de recozimento mais baixas, a variação do PL é pequena e o ajuste é dado pelo primeiro termo do expoente da expansão de Taylor 1 − t /τ. A dependência do tempo de decaimento PL τ com a temperatura é determinada pela energia de ativação E a , de acordo com a lei de Arrhenius  aqui, k B é a constante de Boltzmann. O gráfico de Arrhenius de 1/τ em função da temperatura é apresentado na Figura. A partir do ajuste à Equação, obtemos E a = 860 ± 10 meV. Para efeito de comparação, a energia térmica à temperatura ambiente é de 26 meV. Com o fator de frequência A = 1,6 ± 0,1 Hz, extrapolamos o tempo de decaimento do PL para τ = 1,1 × 10 7  anos à temperatura ambiente T = 22°C e τ = 0,9 × 10 4  anos no ponto de ebulição da água sob pressão padrão T = 100ºC. A extrapolação durante um período tão longo resulta em um erro muito grande. Mas obviamente, o meio de informação baseado nos defeitos V Si no SiC pode preservar a informação ao longo de algumas gerações, ou seja, no mínimo algumas centenas de anos. 2.2 Armazenamento de dados com codificação em escala de cinza A seguir, registramos o texto “E pur si muove - Embora ele se mova” de Galileo Galilei em defeitos V Si opticamente ativos . Para realizar a gravação digital, convertemos este texto para a representação hexadecimal do código ASCII, conforme descrito nas Informações de Apoio. Criamos defeitos V Si usando um microfeixe de prótons focado em um ponto redondo de aproximadamente 1 µm de diâmetro.  Um esquema de codificação de dois bits é usado para cada pixel de implantação. Implantamos 4 × 10 6 prótons para escrever 01 e, correspondentemente, dobramos e triplicamos esse valor para escrever 10 e 11.

A ausência de implantação corresponde a 00. Nenhum recozimento pós-implantação é realizado e os dados podem ser lidos imediatamente após a gravação . Para recuperar o fluxo digital gravado, usamos um microscópio confocal de varredura caseiro, conforme apresentado na Figura  . Os defeitos V Si são excitados com um laser de 785 nm e o PL integrado é medido com um detector de fóton único de silício após filtragem com um filtro passa-longo de 800 nm. A Figura  mostra o V Si PL ao longo de uma das trilhas de dados, onde as diferentes taxas de contagem para os quatro estados lógicos 00, 01, 10 e 11 são claramente vistas. A Figura  mostra as estatísticas da taxa de contagem de PL para todos os pixels. Observamos que a largura total na metade do máximo (FWHM) de 1,6 µm é dada pela convolução do tamanho real do pixel e do tamanho do ponto do laser, sendo ambos de cerca de 1 µm. Notamos também que embora o tamanho do pixel possa ser significativamente reduzido, a resolução espacial do padrão óptico não pode ser significativamente melhorada devido ao limite de difração dado pelo comprimento de onda do laser. Podem ser vistos quatro máximos que identificamos com os quatro estados lógicos. Por fim restauramos o texto “E pur si i uove - Albe Y t it does move”. Dos 294 bits registrados, detectamos apenas dois erros de bits, levando a dois caracteres errados (destacados em negrito). Esses erros são devidos a alguma variação na intensidade do PL e podem ser corrigidos usando bits redundantes como referência para taxas de contagem. [caption id="attachment_87024" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação em escala de cinza. a) Um exemplo de fluxo digital com codificação de dois bits por pixel. A barra de escala é 10 µm. b) Taxa de contagem de fótons do V Si PL registrada ao longo de uma das trilhas de dados. Quatro níveis de taxa de contagem representam os estados lógicos de dois bits 00, 01, 10 e 11. c) Estatísticas da taxa de contagem PL sobre todos os pixels.[/caption] Para aumentar a capacidade de armazenamento, demonstramos a codificação multicamadas conforme apresentado esquematicamente na Figura  . Usamos wafers comerciais de SiC e registramos mapas da Terra em diferentes épocas geológicas. Primeiro, esses mapas são convertidos em imagens em tons de cinza de oito bits (Supporting Information) com distância entre pixels de 80 nm. Os íons He com uma energia de 25 keV são focados em um tamanho de ponto de aproximadamente 1 nm na superfície da amostra em um microscópio de íons de hélio (HIM). Para encontrar as condições ideais de gravação, realizamos uma série de experimentos com diferentes fluências de implantação, conforme descrito nas Informações de Apoio. Descobrimos que a intensidade de V Si PL aumenta quase linearmente até uma fluência de Φ max = 1 × 10 13  cm −2 . Ele satura em 5 × 10 13  cm −2 e depois cai devido ao dano induzido por íons na estrutura cristalina do SiC. A escala de cinza para escrita de feixe de íons focado  é escolhida de forma que o estado lógico máximo de 8 bits seja codificado com Φ max σ HIM . Aqui, σ HIM é a área determinada pelo desvio lateral obtido na simulação SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Outros estados de bits diminuem linearmente com a fluência de implantação. [caption id="attachment_87023" align="aligncenter" width="633"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação multicamada. a) Um esquema do meio de armazenamento óptico com camadas de dados de cerca de 250 nm de espessura, separadas por espaçadores transparentes. b) Varreduras PL confocal em profundidade através de dois pontos. Os pontos são selecionados de forma que a fluência de irradiação seja a mesma na camada dois e diferente na camada um. Devido à absorção insignificante do laser de excitação e do V Si PL no SiC, não há interferência entre as camadas. c) Um mapa da Terra de 240 milhões de anos atrás armazenado/recuperado da camada um. Uma codificação em escala

de cinza de oito bits é usada pela escrita de feixe de íons e uma codificação de três bits é reinstaurada pela leitura óptica. d) Um mapa da Terra hoje armazenado/recuperado da camada dois. A taxa de contagem de fundo de 50k cps causada pelo V Si residual é subtraída em (c, d). A taxa de contagem de 87,5 mil cps corresponde a um nível da codificação em escala de cinza de três bits.[/caption] Depois de escrever mapas individuais da Terra em wafers de SiC separados, eles são empilhados juntos (Figura  3a ). Em seguida, usamos uma configuração confocal para recuperar os mapas armazenados. Varreduras detalhadas através de diferentes pontos são mostradas na Figura  3b . O espaçador transparente nessas varreduras é dado pela espessura do wafer de 250 µm. Considerando a resolução de profundidade de 60 µm juntamente com a distância de trabalho da objetiva de 700 µm, concluímos que até dez camadas podem ser recuperadas sem interferência. Isso se deve ao fraco coeficiente de absorção de SiC nos comprimentos de onda de excitação e V Si PL, que são maiores que 380 nm, correspondendo ao bandgap 4H-SiC. Os mapas recuperados de duas camadas separadas por um espaçador são apresentados nas Figuras  3c e d . Aqui, usamos codificação de 3 bits para reconstruir os mapas. Como a separação de pixels no desenho do projeto é muito menor do que a resolução espacial óptica e a codificação de escrita é mais precisa do que a codificação de leitura, muitos detalhes são calculados em média (Informações de Suporte). Por esta razão, não podemos estimar a precisão da leitura da Figura  3 . Agora estimamos o limite de densidade de armazenamento da nossa gravação 4D. A resolução óptica lateral é dada pelo critério de Rayleigh 1,22λ/NA, onde λ = 785 nm é o comprimento de onda de excitação e NA = 0,81 é a abertura numérica da objetiva. Consideramos então dez camadas e codificação em escala de cinza de três bits para a terceira e quarta dimensões, respectivamente. Finalmente, obtemos uma densidade de armazenamento de 75 Gbit/in2 para dez camadas. 2.3 Leitura de Catodoluminescência O limite de difração do tamanho mínimo do ponto sob excitação óptica é muito maior que a área implantada no HIM. A Figura  4a mostra uma simulação SRIM da distribuição lateral e profunda dos defeitos V Si criados por íons He com energia de 25 keV. A profundidade de penetração dos íons He com esta energia é de cerca de 250 nm. Devido ao espalhamento lateral de íons dentro da camada de SiC, a área implantada tem cerca de σ HIM ≈200 nm de diâmetro. Para aumentar a resolução espacial, propomos usar CL em vez de PL. A Figura  4b mostra o desgarrado de elétrons com energia de 5 keV em SiC, simulado com o software CASINO (monte CARlo SIMulation of electroN path in sOlids). O desvio lateral é de cerca de σ CL ≈ 300 nm. Embora os elétrons com essa energia penetrem no SiC ao longo de vários µm, a simulação da profundidade é limitada a uma profundidade de 250 nm, que é a espessura da camada epitaxial de SiC usada em nossos experimentos de CL. Observamos que a leitura multicamadas não é possível neste caso. [caption id="attachment_87025" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento de dados em SiC com leitura CL. a) Simulação SRIM da criação de V Si com implantação de He com energia de pouso de 25 keV indicando desgarrado longitudinal e lateral. b) Simulação CASINO do espalhamento longitudinal e lateral de elétrons com energia de 5 keV. c) Mapa de intensidade CL do código de barras escrito com HIM. d) Espectro CL das áreas irradiadas e cultivadas. e) Leitura integrada da linha CL através do código de barras armazenado em c). As linhas sólidas são um ajuste multi-gaussiano. A inserção mostra o código de barras armazenado em (c).[/caption] Os espectros CL na faixa de 800 a 1000 nm são mostrados na Figura  4d . Há um sinal CL extremamente baixo em uma amostra cultivada em comparação com PL. A razão para isso é uma concentração cada vez mais baixa de defeitos de V Si nas camadas epitaxiais em comparação com os wafers HPSI usados ​​para PL (Seção Experimental).

Após a implantação de He a uma fluência de 5 × 10 13  cm −2 , o espectro CL tem a mesma posição de pico e largura espectral que o espectro PL da Figura  1b , demonstrando que os elétrons podem de fato excitar eficientemente os defeitos V Si . Em seguida, usamos o HIM para escrever um código de barras representado no encarte da Figura  4e . Este código de barras representa o número 916, correspondente à posição espectral de uma das linhas de fônons zero V Si em 4H-SiC. O código de barras foi criado usando linhas de pixel único com fluência de 70 íons/nm a uma energia de 25 keV usando uma corrente de íons de 0,5 pA. O código de barras recuperado com CL é apresentado na Figura  4c . Para ser espectralmente seletivo à emissão dos defeitos V Si , detectamos sinais de 800 nm (usando filtros passa-longo) a 1000 nm (dado pela sensibilidade espectral do detector de silício). Para analisar a resolução espacial, integramos o sinal ao longo das barras e traçamos a varredura linear através das barras, conforme mostrado na Figura  4e . A partir do ajuste multi-gaussiano, descobrimos que a largura total na metade do máximo (FWHM) das barras mais estreitas é de cerca de 420 nm, o que representa a resolução espacial. Este valor está em boa concordância com a resolução espacial lateral esperada dada pelo He combinado e pelo espalhamento de elétrons. De acordo com a Figura  4a,b , a resolução espacial pode ser significativamente melhorada se a profundidade de criação dos defeitos V Si for limitada a 50 nm. Isto pode ser realizado usando íons He com menor energia em combinação com camadas epitaxiais de SiC mais finas. O espalhamento lateral de íons e elétrons He é limitado, neste caso, a 30 e 40 nm, respectivamente, resultando em uma resolução espacial total de 50 nm. Corresponde à densidade de armazenamento para uma única camada próxima de 300 Gbit/in 2 , que é comparável à densidade de área de registro das fitas magnéticas mas com tempo de armazenamento muito maior e sem necessidade de migração de dados. Observamos que a densidade máxima de defeitos V Si opticamente ativos é 10 16  cm −3 ,  enquanto para concentrações mais altas a presença de canais de recombinação não radiativos devido a danos no cristal induzidos por irradiação suprime a emissão. Para tal densidade de volume, a distância média entre defeitos únicos de V Si é de 46 nm. Portanto, para atingir a densidade de armazenamento de área acima mencionada de 300 Gbit/in 2 , o único bit deve ser armazenado em um único ou em poucos defeitos V Si . A criação de um número único ou contável de defeitos V Si obedece à distribuição de Poisson. Para o valor médio de 1 V Si , a probabilidade de criar defeitos de 0 V Si é de cerca de 36,7% e a fidelidade de escrita correspondente é baixa. Porém, no limite de defeitos únicos ou poucos, a codificação binária é possível, onde o 0 lógico é representado pela ausência do sinal CL e o 1 lógico é representado pelo sinal CL diferente de zero dos defeitos V Si . Particularmente, se o valor médio for igual a 5 V Si , a probabilidade de criar um defeito de 0 V Si é inferior a 0,7%. A fidelidade de escrita correspondente definida estatisticamente estaria acima de 99,3% neste caso. O rendimento de criação de defeitos únicos de V Si usando íons He com uma energia de 6 keV é de 8,5%, o que corresponde em média a 12 íons He necessários para criar um (ou 5) centro (s) V Si . Com base nesses números, a energia mínima necessária para armazenar um único bit é estimada em 10 fJ (ou 50 fJ). Este valor não leva em consideração o consumo de energia necessário para manter a IHM funcionando. O consumo geral de energia aumenta com o número de bits e a velocidade de escrita/leitura, mas não existe tal escalonamento para a operação da HIM. Portanto, no limite de um número muito grande de bits, a energia consumida deve ser determinada pela necessária para escrever o bit individual. A velocidade de gravação alcançável é um critério importante para armazenamento de dados a longo prazo.

É limitado pela fluência necessária para a criação dos defeitos e pela corrente do feixe de íons. No entanto, este último está ligado ao tamanho do spot alcançável e, portanto, não pode ser aumentado indefinidamente. Se assumirmos uma fluência necessária de Φ He = 1,2 × 10 12  cm −2 e uma área de bits de 1000 nm 2 de acordo com os resultados apresentados acima, necessitamos da implantação de ≈12 íons He. No caso da HIM, podemos utilizar altas correntes na faixa de 2 pA, pois a resolução necessária pode ser facilmente alcançada. Nestas condições, a gravação de um único pixel requer apenas 100 ns. Portanto, nossa abordagem tem potencial para atingir uma velocidade de gravação de 10 Mbit/s (ignorando o tempo necessário para direção e atualização do feixe, que é apenas uma pequena correção). Essa velocidade de gravação é mais rápida do que em outras mídias ópticas de armazenamento de dados.  Defeitos opticamente ativos também podem ser alcançados com outros íons. Uma fonte de íons metálicos líquidos permitirá aumentar a corrente para alguns 10 nA. Desde que o tamanho do ponto de 40 nm possa ser mantido, isto resulta, no entanto, em tempos de permanência extremamente curtos, o que exigirá novos supressores de feixe de alta velocidade. Assumindo um supressor tão rápido, capaz de apagar e revelar o feixe em menos de 10 ns , uma corrente de 200 pA é necessária para atingir a fluência necessária Φ Ga . Em tal sistema FIB hipotético, velocidades de gravação de até 100 Mbit/s poderiam ser alcançadas. A velocidade de leitura é diretamente limitada pela taxa de emissão dos defeitos V Si . Para o armazenamento de dados ópticos 4D descrito na Figura   , o potencial limite superior da velocidade de leitura é de cerca de 100 kbit/s. É muito menor se bits únicos forem armazenados em defeitos únicos de V Si , estando na faixa de apenas 1 kbit/s. Alguns outros centros de cores em SiC demonstram PL muito forte, que pode fornecer velocidade de leitura de defeitos únicos superior a 1 Mbit/s.  Alternativamente, a taxa de contagem e, correspondentemente, a velocidade de leitura podem ser significativamente melhoradas coletando PL da face m do cristal de SiC  ou coletando CL de nanocristais de SiC  depositados em uma superfície condutora espelhada. 3 Conclusão Demonstramos armazenamento de dados ultralongo e de alta densidade baseado em defeitos V Si , que são criados por feixes de íons focados. Para recuperar as informações armazenadas, excitamos os defeitos V Si com um laser de 785 nm usado em drives de CD e detectamos seu PL. Em seguida, aplicamos esquemas de codificação em escala de cinza de dois e oito bits com base na intensidade PL para armazenar texto e imagens, respectivamente. As imagens são armazenadas em duas camadas e nossas estimativas mostram que até dez camadas podem ser lidas sem interferência. Neste caso, a densidade de armazenamento projetada está na faixa de dezenas de Gbit/pol 2 , o que é comparável com discos HD DVD e Blu-ray. A extrapolação do tempo de decaimento do PL ativado termicamente aponta para um tempo de armazenamento extremamente longo. Para superar o limite de difração, demonstramos então que CL pode ser usado em vez de PL para ler bits codificados em defeitos V Si opticamente ativos. Para examinar a resolução espacial, que determina a densidade de armazenamento de área, escrevemos um código de barras em 4H-SiC usando HIM e lemos usando CL. Embora a resolução espacial do CL de cerca de 360 ​​nm seja melhor do que no caso do PL, ela é limitada pelo espalhamento de íons e elétrons durante os processos de gravação e leitura, respectivamente. Ao reduzir a espessura da camada de gravação para 50 nm, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada, proporcionando o limite teórico da densidade de armazenamento de cerca de 300 Gbit/in 2 . Nossa abordagem não se limita ao SiC e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D como WS 2  e hBN.  4 Seção Experimental

Amostras As amostras de 4H-SiC foram adquiridas da STMicroelectronics (anteriormente Norstel). Para os experimentos de PL, foi utilizado um wafer 4H-SiC semi-isolante de alta pureza (HPSI). Para os experimentos de CL, foi utilizada uma camada epitaxial de 4H-SiC tipo p (nível de dopagem 1 × 10 17  cm -3 ) com espessura de 250 nm, cultivada em um substrato 4H-SiC tipo n. Um substrato condutor foi necessário para descarregar a amostra quando ela foi exposta ao feixe de elétrons em experimentos de CL. Microscópio Confocal As medições de PL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo, utilizando um microscópio confocal caseiro. Um laser acoplado a fibra de 785 nm de onda contínua (Thorlabs, LP785-SF20) foi enviado através de um filtro passa-faixa de 785 nm com uma janela de transmissão de 10 nm (AHF Analysentechnik AG, ZET785/10) e focado na amostra usando um objetiva do microscópio com NA = 0,81 otimizada para a faixa espectral NIR. A potência do laser foi controlada usando um atenuador de fibra óptica variável em linha (Thorlabs, VOA780-FC) e ajustada para aproximadamente 6 mW. Utilizando um sistema de nanoposicionamento de circuito fechado (attocube, ANPx311) ancorado ao porta-amostras, foram realizadas varreduras raster PL confocal 2D dos padrões HIM espacialmente seletivos. Para as varreduras PL em profundidade, foi considerado o índice de refração de SiC n SiC = 2,6. A emissão NIR do V Si foi coletada pela mesma objetiva enquanto os resíduos da luz laser foram limpos por um conjunto de dois filtros passa-longa de 800 nm (Thorlabs, FELH0800). O PL foi alimentado em um detector de fóton único de nanofio supercondutor acoplado a fibra de banda larga (Single Quantum) para medições de PL espectralmente integradas ou acoplado a um espectrômetro equipado com um Si-CCD (Andor Technology, iVac 324 FI) para medições de PL seletivas de comprimento de onda . Implantação de feixe de íons focado Os experimentos com feixe de prótons foram realizados nas instalações de irradiação TIARA da QST Takasaki, Japão. O acelerador de partículas de extremidade única de 3 MV foi utilizado para gerar um feixe focalizado estável com tamanho típico de 1 × 1 µm 2 , que foi estimado na estação final por imagens de elétrons secundários em uma malha de cobre. A estação final foi equipada com um estágio de precisão de dois eixos (Canon Precision) e controlou a posição do wafer SiC. A corrente do feixe através do porta-amostras foi monitorada durante a irradiação para registrar flutuações e desvios da corrente e fluência pretendidas, enquanto as correntes precisas do feixe foram avaliadas antes e depois do experimento de irradiação por um copo de Faraday conectado a um picômetro. Toda a irradiação com feixe de íons He foi realizada em um Carl Zeiss Orion NanoFAB. A máquina possui vários complementos, incluindo um supressor rápido capaz do comprimento de pulso ultracurto mencionado acima, que também é usado para TOF-SIMS.  Salvo indicação em contrário, uma pressão de hélio de2×10−6mbar, foi utilizada uma abertura de 10 µm, número de controle de ponto 4 e tensão de aceleração de 25 kV. Para reduzir a irradiação não intencional por átomos de He energéticos neutros, todos os padrões de irradiação foram colocados pelo menos 50 µm (normalmente 100 µm) fora do eixo da coluna óptica de íons. Catodoluminescência O sistema de detecção óptica comercialmente disponível (delmic SPARC) utilizado para as medições de CL foi acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (scienta omicron NanoSAM Lab). A amostra foi montada em um sistema de microposicionamento controlado por piezo. O feixe de elétrons foi direcionado através de uma abertura micrométrica do espelho parabólico e focado na superfície da amostra até um tamanho de ponto abaixo de 10 nm. Um sinal CL foi emitido quando o feixe contínuo de elétrons de 5 keV (1 nA) excita V Si no ponto focal do espelho parabólico. A resposta CL foi coletada pelo mesmo espelho parabólico e acoplada a fibra (Thorlabs,

FG300AEA) a um Si-APD (Thorlabs, APD440A) para medições CL espectralmente integradas ou acoplada a um espectrômetro equipado com uma câmera Si-CMOS (Andor Technology , Zyla 5.5 sCMOS) para medições CL seletivas de comprimento de onda. Mapas de intensidade CL 2D foram obtidos escaneando o feixe de elétrons lateralmente através do padrão HIM. Para evitar contribuições de outros defeitos luminescentes na faixa espectral visível, o sinal CL foi filtrado em passagem longa a 830 nm (Semrock, LP02-830RE-25). Todas as medições de CL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo. Reconhecimentos VD e GVA reconheceram o apoio financeiro do Cluster de Excelência em Complexidade e Topologia em Matéria Quântica de Würzburg-Dresden ct.qmat (EXC 2147, ID de projeto DFG 390858490). TO reconheceu o apoio do MEXT Q-LEAP JPMXS0118067395. M. Ho. obrigado Helmut Schultheiss pela assistência com o Blender na preparação dos esquemas na Figura  1a . GH e LB são membros da Ação COST FIT4NANO CA19140 http://www.fit4nano.eu. HK realizou trabalhos no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sob contrato com a Nastional Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). O apoio do Ion Beam Center (IBC) nas instalações de irradiação HZDR e TIARA da QST Takasaki é reconhecido com gratidão pela implantação iônica. Financiamento de acesso aberto habilitado e organizado pelo Projekt DEAL. Conflito de interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

[industriabigar]

Há uma necessidade urgente de aumentar a capacidade global de armazenamento de dados, uma vez que as abordagens atuais ficam aquém do crescimento exponencial da geração de dados impulsionada pela Internet, pelas redes sociais e pelas tecnologias de nuvem. Além de aumentar a densidade de armazenamento, as novas soluções deverão fornecer arquivamento de dados de longo prazo que vai muito além da tradicional memória magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. Aqui, é proposto um conceito de arquivamento de dados de alta densidade, ultralongo e com eficiência energética, baseado em defeitos de tamanho atômico opticamente ativos em um material resistente à radiação, o carboneto de silício (SiC). A informação é escrita nesses defeitos por feixes de íons focados e lida usando fotoluminescência ou catodoluminescência. A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações sob condições ambientais. Com excitação de laser infravermelho próximo, codificação em escala de cinza e armazenamento de dados multicamadas, a densidade de área corresponde à dos discos Blu-ray. Além disso, é demonstrado que a limitação da densidade de área dos meios ópticos convencionais de armazenamento de dados devido à difração da luz pode ser superada pela excitação por feixe de elétrons focalizado. 1 Introdução Em 2012, a quantidade de dados digitais no mundo ultrapassou um Zettabyte (ZB ou 10 21 bytes), indicando o início da Era Zettabyte. Os dados gerados globalmente estão aumentando continuamente e espera-se que sejam superiores a 100 ZB/ano até 2025.  O consumo de energia dos data centers equivale a cerca de 1% da produção global de eletricidade; este número poderá aumentar para 3–13% até 2030.  O tempo de armazenamento limitado exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Isto aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida durante essa migração de dados.  A demanda por redução do consumo de energia, prolongamento do tempo de armazenamento e aumento da capacidade de big data levou a uma melhoria contínua das tecnologias atuais, como mídia magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. A memória magnética é a principal escolha para arquivamento de dados devido à sua grande capacidade de armazenamento. Um protótipo de fita magnética desenvolvido recentemente mostra um desempenho de gravação com uma densidade de armazenamento de área de 317,3 Gbit/in 2 .  O aumento da densidade de armazenamento requer a diminuição do tamanho da partícula magnética. Neste caso, as flutuações térmicas e os processos de difusão tornam-se significativos, resultando numa diminuição do tempo de armazenamento. Isto pode ser superado usando materiais com maior coercividade, o que por sua vez leva a uma maior energia necessária para armazenar um bit magnético. Por outro lado, os discos ópticos podem fornecer um tempo de armazenamento aparentemente ilimitado.  No entanto, o limite de difração restringe o menor bit de gravação à metade do comprimento de onda da luz, o que por sua vez limita a capacidade máxima de armazenamento. Usando gravação óptica multidimensional (isto é, múltiplas camadas dentro do meio, domínio espectral, codificação em escala de cinza, etc.), a capacidade de armazenamento por volume pode ser aumentada drasticamente.  Nos conceitos demonstrados, o registro óptico multidimensional é baseado na modificação do material utilizando pulsos de laser ultracurtos.  A energia necessária para escrever um único bit nessas abordagens está acima de 100 nJ/bit. Este valor é muitas ordens de magnitude maior do que para unidades de disco magnético e unidades de estado sólido, que está na faixa de 1 pJ/bit e 100 fJ/bit, respectivamente. Esses valores podem ser melhorados ainda mais reduzindo a carga de calor.  Por outro lado, o armazenamento óptico de dados não precisa ser atualizado e, portanto, não consome energia no estado ocioso.

No caso de arquivamento de dados a longo prazo, existe um compromisso entre a energia necessária para escrever um único bit e o tempo de vida do armazenamento.  Outras abordagens para armazenamento de dados de ultra-alta densidade estão em desenvolvimento. Particularmente, o armazenamento digital de dados DNA fornece a maior densidade de armazenamento por volume. Em uma abordagem alternativa, as memórias de tamanho atômico têm a maior densidade de armazenamento de área.  No entanto, os horários para escrever e ler nestes dois casos são atualmente impraticáveis. Particularmente, a velocidade de gravação está entre 0,8 e 0,07 bit/s no caso de memória de tamanho atômico. Os centros de cores no estado sólido constituem um tipo alternativo de armazenamento em escala atômica. De facto, foi demonstrado o armazenamento de dados utilizando os centros de vacância de azoto (NV) no diamante. A codificação de bits é realizada usando controle de estado de carga com luz laser e a leitura é realizada via fotoluminescência (PL). No entanto, os padrões de bits são armazenados nos centros NV por apenas mais de uma semana no escuro, o que não é suficiente para uso prático. Aqui, propomos um conceito de armazenamento de dados WORM (write once read many) de longo prazo baseado em carboneto de silício (SiC), conforme mostrado esquematicamente na Figura . O SiC hospeda centros de cores em escala atômica, especialmente a vacância de silício (VSi ) , ou seja, a ausência de átomo de silício no sítio da rede. Possui uma ampla banda PL à temperatura ambiente na faixa espectral do infravermelho próximo (NIR). Os defeitos V Si são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica é superado pelos esquemas de codificação 4D. Nestes esquemas, as três dimensões espaciais e a quarta dimensão de intensidade adicional (codificação em escala de cinza) são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos V Si através da energia iônica e da fluência, respectivamente. Um microscópio confocal de varredura PL é usado para ler opticamente os dados armazenados. Alternativamente, o uso de catodoluminescência (CL) em vez de PL pode melhorar drasticamente a densidade de armazenamento de área. [caption id="attachment_87019" align="aligncenter" width="633"] Um conceito de armazenamento óptico de dados de longo prazo em SiC. a) A informação é escrita em defeitos atômicos opticamente ativos por um feixe de íons focado e lida usando o defeito PL ou CL. O comprimento de onda de excitação é 785 nm. b) Espectro PL típico em HPSI SiC cultivado e após irradiação iônica. c) O decaimento da intensidade de V Si PL em diferentes temperaturas. As linhas sólidas são adequadas para exp (− t /τ) e as linhas tracejadas representam extrapolação para um tempo de recozimento mais longo t . d) Gráfico de Arrhenius da taxa de decaimento PL 1/τ. A área sombreada ao redor da linha sólida representa a tolerância dos valores extrapolados. À temperatura ambiente, as informações em V Si podem ser armazenadas por mais de dez milhões de anos.[/caption] 2 Resultados e Discussão Para nossos estudos, utilizamos wafers comerciais de 4H-SiC. Para criar vagas atômicas, realizamos irradiação de prótons com fluência de 1 × 10 15  cm −2 . Em seguida, medimos PL de V Si na faixa espectral de 800 a 1000 nm sob excitação ideal a 785 nm.  Os espectros de PL à temperatura ambiente na amostra cultivada e medidos após a irradiação são mostrados na Figura   , indicando uma ativação clara de defeitos V Si opticamente ativos sem qualquer tratamento pós-irradiação. Além disso, realizamos experimentos de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) em áreas implantadas ( Informações de Apoio ). A observação do pico ODMR a 70 MHz é uma indicação clara dos defeitos V Si no 4H-SiC. 

2.1 Tempo de armazenamento Está bem estabelecido que a temperatura ideal de recozimento para curar a rede dos danos da irradiação e simultaneamente preservar o V Si está na faixa de 500 - 600°C.  Em temperaturas de recozimento mais altas, os defeitos V Si são rapidamente removidos. Investigamos agora em detalhes a dependência da intensidade PL integrada no tempo de duração do recozimento t para diferentes temperaturas de recozimento T . Para curar o cristal dos danos da irradiação, partimos de baixas temperaturas de recozimento em etapas de 100°C e duração de 90 min em cada etapa. Todos os experimentos de recozimento são realizados em atmosfera Ar. O recozimento leva a um aumento inicial da intensidade do PL em aproximadamente 52%. Quando observamos que o PL começa a cair a 640°C, paramos para aumentar a temperatura e realizamos várias séries de experimentos de recozimento em temperaturas mais baixas, variando o tempo de recozimento. No início de cada série de temperaturas, os valores de temperatura adequados e os tempos de recozimento associados são determinados pelo teste. Na etapa final, realizamos o recozimento a uma temperatura mais elevada de 900°C até o completo desaparecimento do PL e confirmação do decaimento mono-exponencial. Para aumentar a precisão e garantir a repetibilidade da alteração relativa do PL, todas as medições de recozimento são realizadas na mesma amostra e na mesma área. O histórico completo de recozimento da amostra é apresentado nas Informações de Apoio. A tendência geral é que quanto menor a temperatura de recozimento, maior será o tempo de recozimento necessário para observar quaisquer alterações de PL . Notavelmente, mesmo a T = 400°C, uma diminuição muito pequena, mas diferente de zero, na intensidade de PL é detectável durante um longo tempo de recozimento de 6 h.  A temperatura mais alta T = 900°C é escolhida como a última das quatro séries de recozimento, de modo que são necessários tempos de recozimento curtos na faixa de minutos para observar decaimento PL significativo. Finalmente, os experimentos desta série são realizados até que nenhum defeito V Si opticamente ativo seja mais observado. O recozimento a 900°C mostra um decaimento exponencial completo, que pode ser ajustado para exp (− t /τ), como mostrado pela linha sólida na Figura. Para temperaturas de recozimento mais baixas, a variação do PL é pequena e o ajuste é dado pelo primeiro termo do expoente da expansão de Taylor 1 − t /τ. A dependência do tempo de decaimento PL τ com a temperatura é determinada pela energia de ativação E a , de acordo com a lei de Arrhenius  aqui, k B é a constante de Boltzmann. O gráfico de Arrhenius de 1/τ em função da temperatura é apresentado na Figura. A partir do ajuste à Equação, obtemos E a = 860 ± 10 meV. Para efeito de comparação, a energia térmica à temperatura ambiente é de 26 meV. Com o fator de frequência A = 1,6 ± 0,1 Hz, extrapolamos o tempo de decaimento do PL para τ = 1,1 × 10 7  anos à temperatura ambiente T = 22°C e τ = 0,9 × 10 4  anos no ponto de ebulição da água sob pressão padrão T = 100ºC. A extrapolação durante um período tão longo resulta em um erro muito grande. Mas obviamente, o meio de informação baseado nos defeitos V Si no SiC pode preservar a informação ao longo de algumas gerações, ou seja, no mínimo algumas centenas de anos. 2.2 Armazenamento de dados com codificação em escala de cinza A seguir, registramos o texto “E pur si muove - Embora ele se mova” de Galileo Galilei em defeitos V Si opticamente ativos . Para realizar a gravação digital, convertemos este texto para a representação hexadecimal do código ASCII, conforme descrito nas Informações de Apoio. Criamos defeitos V Si usando um microfeixe de prótons focado em um ponto redondo de aproximadamente 1 µm de diâmetro.  Um esquema de codificação de dois bits é usado para cada pixel de implantação. Implantamos 4 × 10 6 prótons para escrever 01 e, correspondentemente, dobramos e triplicamos esse valor para escrever 10 e 11.

A ausência de implantação corresponde a 00. Nenhum recozimento pós-implantação é realizado e os dados podem ser lidos imediatamente após a gravação . Para recuperar o fluxo digital gravado, usamos um microscópio confocal de varredura caseiro, conforme apresentado na Figura  . Os defeitos V Si são excitados com um laser de 785 nm e o PL integrado é medido com um detector de fóton único de silício após filtragem com um filtro passa-longo de 800 nm. A Figura  mostra o V Si PL ao longo de uma das trilhas de dados, onde as diferentes taxas de contagem para os quatro estados lógicos 00, 01, 10 e 11 são claramente vistas. A Figura  mostra as estatísticas da taxa de contagem de PL para todos os pixels. Observamos que a largura total na metade do máximo (FWHM) de 1,6 µm é dada pela convolução do tamanho real do pixel e do tamanho do ponto do laser, sendo ambos de cerca de 1 µm. Notamos também que embora o tamanho do pixel possa ser significativamente reduzido, a resolução espacial do padrão óptico não pode ser significativamente melhorada devido ao limite de difração dado pelo comprimento de onda do laser. Podem ser vistos quatro máximos que identificamos com os quatro estados lógicos. Por fim restauramos o texto “E pur si i uove - Albe Y t it does move”. Dos 294 bits registrados, detectamos apenas dois erros de bits, levando a dois caracteres errados (destacados em negrito). Esses erros são devidos a alguma variação na intensidade do PL e podem ser corrigidos usando bits redundantes como referência para taxas de contagem. [caption id="attachment_87024" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação em escala de cinza. a) Um exemplo de fluxo digital com codificação de dois bits por pixel. A barra de escala é 10 µm. b) Taxa de contagem de fótons do V Si PL registrada ao longo de uma das trilhas de dados. Quatro níveis de taxa de contagem representam os estados lógicos de dois bits 00, 01, 10 e 11. c) Estatísticas da taxa de contagem PL sobre todos os pixels.[/caption] Para aumentar a capacidade de armazenamento, demonstramos a codificação multicamadas conforme apresentado esquematicamente na Figura  . Usamos wafers comerciais de SiC e registramos mapas da Terra em diferentes épocas geológicas. Primeiro, esses mapas são convertidos em imagens em tons de cinza de oito bits (Supporting Information) com distância entre pixels de 80 nm. Os íons He com uma energia de 25 keV são focados em um tamanho de ponto de aproximadamente 1 nm na superfície da amostra em um microscópio de íons de hélio (HIM). Para encontrar as condições ideais de gravação, realizamos uma série de experimentos com diferentes fluências de implantação, conforme descrito nas Informações de Apoio. Descobrimos que a intensidade de V Si PL aumenta quase linearmente até uma fluência de Φ max = 1 × 10 13  cm −2 . Ele satura em 5 × 10 13  cm −2 e depois cai devido ao dano induzido por íons na estrutura cristalina do SiC. A escala de cinza para escrita de feixe de íons focado  é escolhida de forma que o estado lógico máximo de 8 bits seja codificado com Φ max σ HIM . Aqui, σ HIM é a área determinada pelo desvio lateral obtido na simulação SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Outros estados de bits diminuem linearmente com a fluência de implantação. [caption id="attachment_87023" align="aligncenter" width="633"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação multicamada. a) Um esquema do meio de armazenamento óptico com camadas de dados de cerca de 250 nm de espessura, separadas por espaçadores transparentes. b) Varreduras PL confocal em profundidade através de dois pontos. Os pontos são selecionados de forma que a fluência de irradiação seja a mesma na camada dois e diferente na camada um. Devido à absorção insignificante do laser de excitação e do V Si PL no SiC, não há interferência entre as camadas. c) Um mapa da Terra de 240 milhões de anos atrás armazenado/recuperado da camada um. Uma codificação em escala

de cinza de oito bits é usada pela escrita de feixe de íons e uma codificação de três bits é reinstaurada pela leitura óptica. d) Um mapa da Terra hoje armazenado/recuperado da camada dois. A taxa de contagem de fundo de 50k cps causada pelo V Si residual é subtraída em (c, d). A taxa de contagem de 87,5 mil cps corresponde a um nível da codificação em escala de cinza de três bits.[/caption] Depois de escrever mapas individuais da Terra em wafers de SiC separados, eles são empilhados juntos (Figura  3a ). Em seguida, usamos uma configuração confocal para recuperar os mapas armazenados. Varreduras detalhadas através de diferentes pontos são mostradas na Figura  3b . O espaçador transparente nessas varreduras é dado pela espessura do wafer de 250 µm. Considerando a resolução de profundidade de 60 µm juntamente com a distância de trabalho da objetiva de 700 µm, concluímos que até dez camadas podem ser recuperadas sem interferência. Isso se deve ao fraco coeficiente de absorção de SiC nos comprimentos de onda de excitação e V Si PL, que são maiores que 380 nm, correspondendo ao bandgap 4H-SiC. Os mapas recuperados de duas camadas separadas por um espaçador são apresentados nas Figuras  3c e d . Aqui, usamos codificação de 3 bits para reconstruir os mapas. Como a separação de pixels no desenho do projeto é muito menor do que a resolução espacial óptica e a codificação de escrita é mais precisa do que a codificação de leitura, muitos detalhes são calculados em média (Informações de Suporte). Por esta razão, não podemos estimar a precisão da leitura da Figura  3 . Agora estimamos o limite de densidade de armazenamento da nossa gravação 4D. A resolução óptica lateral é dada pelo critério de Rayleigh 1,22λ/NA, onde λ = 785 nm é o comprimento de onda de excitação e NA = 0,81 é a abertura numérica da objetiva. Consideramos então dez camadas e codificação em escala de cinza de três bits para a terceira e quarta dimensões, respectivamente. Finalmente, obtemos uma densidade de armazenamento de 75 Gbit/in2 para dez camadas. 2.3 Leitura de Catodoluminescência O limite de difração do tamanho mínimo do ponto sob excitação óptica é muito maior que a área implantada no HIM. A Figura  4a mostra uma simulação SRIM da distribuição lateral e profunda dos defeitos V Si criados por íons He com energia de 25 keV. A profundidade de penetração dos íons He com esta energia é de cerca de 250 nm. Devido ao espalhamento lateral de íons dentro da camada de SiC, a área implantada tem cerca de σ HIM ≈200 nm de diâmetro. Para aumentar a resolução espacial, propomos usar CL em vez de PL. A Figura  4b mostra o desgarrado de elétrons com energia de 5 keV em SiC, simulado com o software CASINO (monte CARlo SIMulation of electroN path in sOlids). O desvio lateral é de cerca de σ CL ≈ 300 nm. Embora os elétrons com essa energia penetrem no SiC ao longo de vários µm, a simulação da profundidade é limitada a uma profundidade de 250 nm, que é a espessura da camada epitaxial de SiC usada em nossos experimentos de CL. Observamos que a leitura multicamadas não é possível neste caso. [caption id="attachment_87025" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento de dados em SiC com leitura CL. a) Simulação SRIM da criação de V Si com implantação de He com energia de pouso de 25 keV indicando desgarrado longitudinal e lateral. b) Simulação CASINO do espalhamento longitudinal e lateral de elétrons com energia de 5 keV. c) Mapa de intensidade CL do código de barras escrito com HIM. d) Espectro CL das áreas irradiadas e cultivadas. e) Leitura integrada da linha CL através do código de barras armazenado em c). As linhas sólidas são um ajuste multi-gaussiano. A inserção mostra o código de barras armazenado em (c).[/caption] Os espectros CL na faixa de 800 a 1000 nm são mostrados na Figura  4d . Há um sinal CL extremamente baixo em uma amostra cultivada em comparação com PL. A razão para isso é uma concentração cada vez mais baixa de defeitos de V Si nas camadas epitaxiais em comparação com os wafers HPSI usados ​​para PL (Seção Experimental).

Após a implantação de He a uma fluência de 5 × 10 13  cm −2 , o espectro CL tem a mesma posição de pico e largura espectral que o espectro PL da Figura  1b , demonstrando que os elétrons podem de fato excitar eficientemente os defeitos V Si . Em seguida, usamos o HIM para escrever um código de barras representado no encarte da Figura  4e . Este código de barras representa o número 916, correspondente à posição espectral de uma das linhas de fônons zero V Si em 4H-SiC. O código de barras foi criado usando linhas de pixel único com fluência de 70 íons/nm a uma energia de 25 keV usando uma corrente de íons de 0,5 pA. O código de barras recuperado com CL é apresentado na Figura  4c . Para ser espectralmente seletivo à emissão dos defeitos V Si , detectamos sinais de 800 nm (usando filtros passa-longo) a 1000 nm (dado pela sensibilidade espectral do detector de silício). Para analisar a resolução espacial, integramos o sinal ao longo das barras e traçamos a varredura linear através das barras, conforme mostrado na Figura  4e . A partir do ajuste multi-gaussiano, descobrimos que a largura total na metade do máximo (FWHM) das barras mais estreitas é de cerca de 420 nm, o que representa a resolução espacial. Este valor está em boa concordância com a resolução espacial lateral esperada dada pelo He combinado e pelo espalhamento de elétrons. De acordo com a Figura  4a,b , a resolução espacial pode ser significativamente melhorada se a profundidade de criação dos defeitos V Si for limitada a 50 nm. Isto pode ser realizado usando íons He com menor energia em combinação com camadas epitaxiais de SiC mais finas. O espalhamento lateral de íons e elétrons He é limitado, neste caso, a 30 e 40 nm, respectivamente, resultando em uma resolução espacial total de 50 nm. Corresponde à densidade de armazenamento para uma única camada próxima de 300 Gbit/in 2 , que é comparável à densidade de área de registro das fitas magnéticas mas com tempo de armazenamento muito maior e sem necessidade de migração de dados. Observamos que a densidade máxima de defeitos V Si opticamente ativos é 10 16  cm −3 ,  enquanto para concentrações mais altas a presença de canais de recombinação não radiativos devido a danos no cristal induzidos por irradiação suprime a emissão. Para tal densidade de volume, a distância média entre defeitos únicos de V Si é de 46 nm. Portanto, para atingir a densidade de armazenamento de área acima mencionada de 300 Gbit/in 2 , o único bit deve ser armazenado em um único ou em poucos defeitos V Si . A criação de um número único ou contável de defeitos V Si obedece à distribuição de Poisson. Para o valor médio de 1 V Si , a probabilidade de criar defeitos de 0 V Si é de cerca de 36,7% e a fidelidade de escrita correspondente é baixa. Porém, no limite de defeitos únicos ou poucos, a codificação binária é possível, onde o 0 lógico é representado pela ausência do sinal CL e o 1 lógico é representado pelo sinal CL diferente de zero dos defeitos V Si . Particularmente, se o valor médio for igual a 5 V Si , a probabilidade de criar um defeito de 0 V Si é inferior a 0,7%. A fidelidade de escrita correspondente definida estatisticamente estaria acima de 99,3% neste caso. O rendimento de criação de defeitos únicos de V Si usando íons He com uma energia de 6 keV é de 8,5%, o que corresponde em média a 12 íons He necessários para criar um (ou 5) centro (s) V Si . Com base nesses números, a energia mínima necessária para armazenar um único bit é estimada em 10 fJ (ou 50 fJ). Este valor não leva em consideração o consumo de energia necessário para manter a IHM funcionando. O consumo geral de energia aumenta com o número de bits e a velocidade de escrita/leitura, mas não existe tal escalonamento para a operação da HIM. Portanto, no limite de um número muito grande de bits, a energia consumida deve ser determinada pela necessária para escrever o bit individual. A velocidade de gravação alcançável é um critério importante para armazenamento de dados a longo prazo.

É limitado pela fluência necessária para a criação dos defeitos e pela corrente do feixe de íons. No entanto, este último está ligado ao tamanho do spot alcançável e, portanto, não pode ser aumentado indefinidamente. Se assumirmos uma fluência necessária de Φ He = 1,2 × 10 12  cm −2 e uma área de bits de 1000 nm 2 de acordo com os resultados apresentados acima, necessitamos da implantação de ≈12 íons He. No caso da HIM, podemos utilizar altas correntes na faixa de 2 pA, pois a resolução necessária pode ser facilmente alcançada. Nestas condições, a gravação de um único pixel requer apenas 100 ns. Portanto, nossa abordagem tem potencial para atingir uma velocidade de gravação de 10 Mbit/s (ignorando o tempo necessário para direção e atualização do feixe, que é apenas uma pequena correção). Essa velocidade de gravação é mais rápida do que em outras mídias ópticas de armazenamento de dados.  Defeitos opticamente ativos também podem ser alcançados com outros íons. Uma fonte de íons metálicos líquidos permitirá aumentar a corrente para alguns 10 nA. Desde que o tamanho do ponto de 40 nm possa ser mantido, isto resulta, no entanto, em tempos de permanência extremamente curtos, o que exigirá novos supressores de feixe de alta velocidade. Assumindo um supressor tão rápido, capaz de apagar e revelar o feixe em menos de 10 ns , uma corrente de 200 pA é necessária para atingir a fluência necessária Φ Ga . Em tal sistema FIB hipotético, velocidades de gravação de até 100 Mbit/s poderiam ser alcançadas. A velocidade de leitura é diretamente limitada pela taxa de emissão dos defeitos V Si . Para o armazenamento de dados ópticos 4D descrito na Figura   , o potencial limite superior da velocidade de leitura é de cerca de 100 kbit/s. É muito menor se bits únicos forem armazenados em defeitos únicos de V Si , estando na faixa de apenas 1 kbit/s. Alguns outros centros de cores em SiC demonstram PL muito forte, que pode fornecer velocidade de leitura de defeitos únicos superior a 1 Mbit/s.  Alternativamente, a taxa de contagem e, correspondentemente, a velocidade de leitura podem ser significativamente melhoradas coletando PL da face m do cristal de SiC  ou coletando CL de nanocristais de SiC  depositados em uma superfície condutora espelhada. 3 Conclusão Demonstramos armazenamento de dados ultralongo e de alta densidade baseado em defeitos V Si , que são criados por feixes de íons focados. Para recuperar as informações armazenadas, excitamos os defeitos V Si com um laser de 785 nm usado em drives de CD e detectamos seu PL. Em seguida, aplicamos esquemas de codificação em escala de cinza de dois e oito bits com base na intensidade PL para armazenar texto e imagens, respectivamente. As imagens são armazenadas em duas camadas e nossas estimativas mostram que até dez camadas podem ser lidas sem interferência. Neste caso, a densidade de armazenamento projetada está na faixa de dezenas de Gbit/pol 2 , o que é comparável com discos HD DVD e Blu-ray. A extrapolação do tempo de decaimento do PL ativado termicamente aponta para um tempo de armazenamento extremamente longo. Para superar o limite de difração, demonstramos então que CL pode ser usado em vez de PL para ler bits codificados em defeitos V Si opticamente ativos. Para examinar a resolução espacial, que determina a densidade de armazenamento de área, escrevemos um código de barras em 4H-SiC usando HIM e lemos usando CL. Embora a resolução espacial do CL de cerca de 360 ​​nm seja melhor do que no caso do PL, ela é limitada pelo espalhamento de íons e elétrons durante os processos de gravação e leitura, respectivamente. Ao reduzir a espessura da camada de gravação para 50 nm, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada, proporcionando o limite teórico da densidade de armazenamento de cerca de 300 Gbit/in 2 . Nossa abordagem não se limita ao SiC e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D como WS 2  e hBN.  4 Seção Experimental

Amostras As amostras de 4H-SiC foram adquiridas da STMicroelectronics (anteriormente Norstel). Para os experimentos de PL, foi utilizado um wafer 4H-SiC semi-isolante de alta pureza (HPSI). Para os experimentos de CL, foi utilizada uma camada epitaxial de 4H-SiC tipo p (nível de dopagem 1 × 10 17  cm -3 ) com espessura de 250 nm, cultivada em um substrato 4H-SiC tipo n. Um substrato condutor foi necessário para descarregar a amostra quando ela foi exposta ao feixe de elétrons em experimentos de CL. Microscópio Confocal As medições de PL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo, utilizando um microscópio confocal caseiro. Um laser acoplado a fibra de 785 nm de onda contínua (Thorlabs, LP785-SF20) foi enviado através de um filtro passa-faixa de 785 nm com uma janela de transmissão de 10 nm (AHF Analysentechnik AG, ZET785/10) e focado na amostra usando um objetiva do microscópio com NA = 0,81 otimizada para a faixa espectral NIR. A potência do laser foi controlada usando um atenuador de fibra óptica variável em linha (Thorlabs, VOA780-FC) e ajustada para aproximadamente 6 mW. Utilizando um sistema de nanoposicionamento de circuito fechado (attocube, ANPx311) ancorado ao porta-amostras, foram realizadas varreduras raster PL confocal 2D dos padrões HIM espacialmente seletivos. Para as varreduras PL em profundidade, foi considerado o índice de refração de SiC n SiC = 2,6. A emissão NIR do V Si foi coletada pela mesma objetiva enquanto os resíduos da luz laser foram limpos por um conjunto de dois filtros passa-longa de 800 nm (Thorlabs, FELH0800). O PL foi alimentado em um detector de fóton único de nanofio supercondutor acoplado a fibra de banda larga (Single Quantum) para medições de PL espectralmente integradas ou acoplado a um espectrômetro equipado com um Si-CCD (Andor Technology, iVac 324 FI) para medições de PL seletivas de comprimento de onda . Implantação de feixe de íons focado Os experimentos com feixe de prótons foram realizados nas instalações de irradiação TIARA da QST Takasaki, Japão. O acelerador de partículas de extremidade única de 3 MV foi utilizado para gerar um feixe focalizado estável com tamanho típico de 1 × 1 µm 2 , que foi estimado na estação final por imagens de elétrons secundários em uma malha de cobre. A estação final foi equipada com um estágio de precisão de dois eixos (Canon Precision) e controlou a posição do wafer SiC. A corrente do feixe através do porta-amostras foi monitorada durante a irradiação para registrar flutuações e desvios da corrente e fluência pretendidas, enquanto as correntes precisas do feixe foram avaliadas antes e depois do experimento de irradiação por um copo de Faraday conectado a um picômetro. Toda a irradiação com feixe de íons He foi realizada em um Carl Zeiss Orion NanoFAB. A máquina possui vários complementos, incluindo um supressor rápido capaz do comprimento de pulso ultracurto mencionado acima, que também é usado para TOF-SIMS.  Salvo indicação em contrário, uma pressão de hélio de2×10−6mbar, foi utilizada uma abertura de 10 µm, número de controle de ponto 4 e tensão de aceleração de 25 kV. Para reduzir a irradiação não intencional por átomos de He energéticos neutros, todos os padrões de irradiação foram colocados pelo menos 50 µm (normalmente 100 µm) fora do eixo da coluna óptica de íons. Catodoluminescência O sistema de detecção óptica comercialmente disponível (delmic SPARC) utilizado para as medições de CL foi acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (scienta omicron NanoSAM Lab). A amostra foi montada em um sistema de microposicionamento controlado por piezo. O feixe de elétrons foi direcionado através de uma abertura micrométrica do espelho parabólico e focado na superfície da amostra até um tamanho de ponto abaixo de 10 nm. Um sinal CL foi emitido quando o feixe contínuo de elétrons de 5 keV (1 nA) excita V Si no ponto focal do espelho parabólico. A resposta CL foi coletada pelo mesmo espelho parabólico e acoplada a fibra (Thorlabs,

FG300AEA) a um Si-APD (Thorlabs, APD440A) para medições CL espectralmente integradas ou acoplada a um espectrômetro equipado com uma câmera Si-CMOS (Andor Technology , Zyla 5.5 sCMOS) para medições CL seletivas de comprimento de onda. Mapas de intensidade CL 2D foram obtidos escaneando o feixe de elétrons lateralmente através do padrão HIM. Para evitar contribuições de outros defeitos luminescentes na faixa espectral visível, o sinal CL foi filtrado em passagem longa a 830 nm (Semrock, LP02-830RE-25). Todas as medições de CL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo. Reconhecimentos VD e GVA reconheceram o apoio financeiro do Cluster de Excelência em Complexidade e Topologia em Matéria Quântica de Würzburg-Dresden ct.qmat (EXC 2147, ID de projeto DFG 390858490). TO reconheceu o apoio do MEXT Q-LEAP JPMXS0118067395. M. Ho. obrigado Helmut Schultheiss pela assistência com o Blender na preparação dos esquemas na Figura  1a . GH e LB são membros da Ação COST FIT4NANO CA19140 http://www.fit4nano.eu. HK realizou trabalhos no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sob contrato com a Nastional Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). O apoio do Ion Beam Center (IBC) nas instalações de irradiação HZDR e TIARA da QST Takasaki é reconhecido com gratidão pela implantação iônica. Financiamento de acesso aberto habilitado e organizado pelo Projekt DEAL. Conflito de interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

[gwsnet]

Há uma necessidade urgente de aumentar a capacidade global de armazenamento de dados, uma vez que as abordagens atuais ficam aquém do crescimento exponencial da geração de dados impulsionada pela Internet, pelas redes sociais e pelas tecnologias de nuvem. Além de aumentar a densidade de armazenamento, as novas soluções deverão fornecer arquivamento de dados de longo prazo que vai muito além da tradicional memória magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. Aqui, é proposto um conceito de arquivamento de dados de alta densidade, ultralongo e com eficiência energética, baseado em defeitos de tamanho atômico opticamente ativos em um material resistente à radiação, o carboneto de silício (SiC). A informação é escrita nesses defeitos por feixes de íons focados e lida usando fotoluminescência ou catodoluminescência. A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações sob condições ambientais. Com excitação de laser infravermelho próximo, codificação em escala de cinza e armazenamento de dados multicamadas, a densidade de área corresponde à dos discos Blu-ray. Além disso, é demonstrado que a limitação da densidade de área dos meios ópticos convencionais de armazenamento de dados devido à difração da luz pode ser superada pela excitação por feixe de elétrons focalizado. 1 Introdução Em 2012, a quantidade de dados digitais no mundo ultrapassou um Zettabyte (ZB ou 10 21 bytes), indicando o início da Era Zettabyte. Os dados gerados globalmente estão aumentando continuamente e espera-se que sejam superiores a 100 ZB/ano até 2025.  O consumo de energia dos data centers equivale a cerca de 1% da produção global de eletricidade; este número poderá aumentar para 3–13% até 2030.  O tempo de armazenamento limitado exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Isto aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida durante essa migração de dados.  A demanda por redução do consumo de energia, prolongamento do tempo de armazenamento e aumento da capacidade de big data levou a uma melhoria contínua das tecnologias atuais, como mídia magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. A memória magnética é a principal escolha para arquivamento de dados devido à sua grande capacidade de armazenamento. Um protótipo de fita magnética desenvolvido recentemente mostra um desempenho de gravação com uma densidade de armazenamento de área de 317,3 Gbit/in 2 .  O aumento da densidade de armazenamento requer a diminuição do tamanho da partícula magnética. Neste caso, as flutuações térmicas e os processos de difusão tornam-se significativos, resultando numa diminuição do tempo de armazenamento. Isto pode ser superado usando materiais com maior coercividade, o que por sua vez leva a uma maior energia necessária para armazenar um bit magnético. Por outro lado, os discos ópticos podem fornecer um tempo de armazenamento aparentemente ilimitado.  No entanto, o limite de difração restringe o menor bit de gravação à metade do comprimento de onda da luz, o que por sua vez limita a capacidade máxima de armazenamento. Usando gravação óptica multidimensional (isto é, múltiplas camadas dentro do meio, domínio espectral, codificação em escala de cinza, etc.), a capacidade de armazenamento por volume pode ser aumentada drasticamente.  Nos conceitos demonstrados, o registro óptico multidimensional é baseado na modificação do material utilizando pulsos de laser ultracurtos.  A energia necessária para escrever um único bit nessas abordagens está acima de 100 nJ/bit. Este valor é muitas ordens de magnitude maior do que para unidades de disco magnético e unidades de estado sólido, que está na faixa de 1 pJ/bit e 100 fJ/bit, respectivamente. Esses valores podem ser melhorados ainda mais reduzindo a carga de calor.  Por outro lado, o armazenamento óptico de dados não precisa ser atualizado e, portanto, não consome energia no estado ocioso.

No caso de arquivamento de dados a longo prazo, existe um compromisso entre a energia necessária para escrever um único bit e o tempo de vida do armazenamento.  Outras abordagens para armazenamento de dados de ultra-alta densidade estão em desenvolvimento. Particularmente, o armazenamento digital de dados DNA fornece a maior densidade de armazenamento por volume. Em uma abordagem alternativa, as memórias de tamanho atômico têm a maior densidade de armazenamento de área.  No entanto, os horários para escrever e ler nestes dois casos são atualmente impraticáveis. Particularmente, a velocidade de gravação está entre 0,8 e 0,07 bit/s no caso de memória de tamanho atômico. Os centros de cores no estado sólido constituem um tipo alternativo de armazenamento em escala atômica. De facto, foi demonstrado o armazenamento de dados utilizando os centros de vacância de azoto (NV) no diamante. A codificação de bits é realizada usando controle de estado de carga com luz laser e a leitura é realizada via fotoluminescência (PL). No entanto, os padrões de bits são armazenados nos centros NV por apenas mais de uma semana no escuro, o que não é suficiente para uso prático. Aqui, propomos um conceito de armazenamento de dados WORM (write once read many) de longo prazo baseado em carboneto de silício (SiC), conforme mostrado esquematicamente na Figura . O SiC hospeda centros de cores em escala atômica, especialmente a vacância de silício (VSi ) , ou seja, a ausência de átomo de silício no sítio da rede. Possui uma ampla banda PL à temperatura ambiente na faixa espectral do infravermelho próximo (NIR). Os defeitos V Si são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica é superado pelos esquemas de codificação 4D. Nestes esquemas, as três dimensões espaciais e a quarta dimensão de intensidade adicional (codificação em escala de cinza) são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos V Si através da energia iônica e da fluência, respectivamente. Um microscópio confocal de varredura PL é usado para ler opticamente os dados armazenados. Alternativamente, o uso de catodoluminescência (CL) em vez de PL pode melhorar drasticamente a densidade de armazenamento de área. [caption id="attachment_87019" align="aligncenter" width="633"] Um conceito de armazenamento óptico de dados de longo prazo em SiC. a) A informação é escrita em defeitos atômicos opticamente ativos por um feixe de íons focado e lida usando o defeito PL ou CL. O comprimento de onda de excitação é 785 nm. b) Espectro PL típico em HPSI SiC cultivado e após irradiação iônica. c) O decaimento da intensidade de V Si PL em diferentes temperaturas. As linhas sólidas são adequadas para exp (− t /τ) e as linhas tracejadas representam extrapolação para um tempo de recozimento mais longo t . d) Gráfico de Arrhenius da taxa de decaimento PL 1/τ. A área sombreada ao redor da linha sólida representa a tolerância dos valores extrapolados. À temperatura ambiente, as informações em V Si podem ser armazenadas por mais de dez milhões de anos.[/caption] 2 Resultados e Discussão Para nossos estudos, utilizamos wafers comerciais de 4H-SiC. Para criar vagas atômicas, realizamos irradiação de prótons com fluência de 1 × 10 15  cm −2 . Em seguida, medimos PL de V Si na faixa espectral de 800 a 1000 nm sob excitação ideal a 785 nm.  Os espectros de PL à temperatura ambiente na amostra cultivada e medidos após a irradiação são mostrados na Figura   , indicando uma ativação clara de defeitos V Si opticamente ativos sem qualquer tratamento pós-irradiação. Além disso, realizamos experimentos de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) em áreas implantadas ( Informações de Apoio ). A observação do pico ODMR a 70 MHz é uma indicação clara dos defeitos V Si no 4H-SiC. 

2.1 Tempo de armazenamento Está bem estabelecido que a temperatura ideal de recozimento para curar a rede dos danos da irradiação e simultaneamente preservar o V Si está na faixa de 500 - 600°C.  Em temperaturas de recozimento mais altas, os defeitos V Si são rapidamente removidos. Investigamos agora em detalhes a dependência da intensidade PL integrada no tempo de duração do recozimento t para diferentes temperaturas de recozimento T . Para curar o cristal dos danos da irradiação, partimos de baixas temperaturas de recozimento em etapas de 100°C e duração de 90 min em cada etapa. Todos os experimentos de recozimento são realizados em atmosfera Ar. O recozimento leva a um aumento inicial da intensidade do PL em aproximadamente 52%. Quando observamos que o PL começa a cair a 640°C, paramos para aumentar a temperatura e realizamos várias séries de experimentos de recozimento em temperaturas mais baixas, variando o tempo de recozimento. No início de cada série de temperaturas, os valores de temperatura adequados e os tempos de recozimento associados são determinados pelo teste. Na etapa final, realizamos o recozimento a uma temperatura mais elevada de 900°C até o completo desaparecimento do PL e confirmação do decaimento mono-exponencial. Para aumentar a precisão e garantir a repetibilidade da alteração relativa do PL, todas as medições de recozimento são realizadas na mesma amostra e na mesma área. O histórico completo de recozimento da amostra é apresentado nas Informações de Apoio. A tendência geral é que quanto menor a temperatura de recozimento, maior será o tempo de recozimento necessário para observar quaisquer alterações de PL . Notavelmente, mesmo a T = 400°C, uma diminuição muito pequena, mas diferente de zero, na intensidade de PL é detectável durante um longo tempo de recozimento de 6 h.  A temperatura mais alta T = 900°C é escolhida como a última das quatro séries de recozimento, de modo que são necessários tempos de recozimento curtos na faixa de minutos para observar decaimento PL significativo. Finalmente, os experimentos desta série são realizados até que nenhum defeito V Si opticamente ativo seja mais observado. O recozimento a 900°C mostra um decaimento exponencial completo, que pode ser ajustado para exp (− t /τ), como mostrado pela linha sólida na Figura. Para temperaturas de recozimento mais baixas, a variação do PL é pequena e o ajuste é dado pelo primeiro termo do expoente da expansão de Taylor 1 − t /τ. A dependência do tempo de decaimento PL τ com a temperatura é determinada pela energia de ativação E a , de acordo com a lei de Arrhenius  aqui, k B é a constante de Boltzmann. O gráfico de Arrhenius de 1/τ em função da temperatura é apresentado na Figura. A partir do ajuste à Equação, obtemos E a = 860 ± 10 meV. Para efeito de comparação, a energia térmica à temperatura ambiente é de 26 meV. Com o fator de frequência A = 1,6 ± 0,1 Hz, extrapolamos o tempo de decaimento do PL para τ = 1,1 × 10 7  anos à temperatura ambiente T = 22°C e τ = 0,9 × 10 4  anos no ponto de ebulição da água sob pressão padrão T = 100ºC. A extrapolação durante um período tão longo resulta em um erro muito grande. Mas obviamente, o meio de informação baseado nos defeitos V Si no SiC pode preservar a informação ao longo de algumas gerações, ou seja, no mínimo algumas centenas de anos. 2.2 Armazenamento de dados com codificação em escala de cinza A seguir, registramos o texto “E pur si muove - Embora ele se mova” de Galileo Galilei em defeitos V Si opticamente ativos . Para realizar a gravação digital, convertemos este texto para a representação hexadecimal do código ASCII, conforme descrito nas Informações de Apoio. Criamos defeitos V Si usando um microfeixe de prótons focado em um ponto redondo de aproximadamente 1 µm de diâmetro.  Um esquema de codificação de dois bits é usado para cada pixel de implantação. Implantamos 4 × 10 6 prótons para escrever 01 e, correspondentemente, dobramos e triplicamos esse valor para escrever 10 e 11.

A ausência de implantação corresponde a 00. Nenhum recozimento pós-implantação é realizado e os dados podem ser lidos imediatamente após a gravação . Para recuperar o fluxo digital gravado, usamos um microscópio confocal de varredura caseiro, conforme apresentado na Figura  . Os defeitos V Si são excitados com um laser de 785 nm e o PL integrado é medido com um detector de fóton único de silício após filtragem com um filtro passa-longo de 800 nm. A Figura  mostra o V Si PL ao longo de uma das trilhas de dados, onde as diferentes taxas de contagem para os quatro estados lógicos 00, 01, 10 e 11 são claramente vistas. A Figura  mostra as estatísticas da taxa de contagem de PL para todos os pixels. Observamos que a largura total na metade do máximo (FWHM) de 1,6 µm é dada pela convolução do tamanho real do pixel e do tamanho do ponto do laser, sendo ambos de cerca de 1 µm. Notamos também que embora o tamanho do pixel possa ser significativamente reduzido, a resolução espacial do padrão óptico não pode ser significativamente melhorada devido ao limite de difração dado pelo comprimento de onda do laser. Podem ser vistos quatro máximos que identificamos com os quatro estados lógicos. Por fim restauramos o texto “E pur si i uove - Albe Y t it does move”. Dos 294 bits registrados, detectamos apenas dois erros de bits, levando a dois caracteres errados (destacados em negrito). Esses erros são devidos a alguma variação na intensidade do PL e podem ser corrigidos usando bits redundantes como referência para taxas de contagem. [caption id="attachment_87024" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação em escala de cinza. a) Um exemplo de fluxo digital com codificação de dois bits por pixel. A barra de escala é 10 µm. b) Taxa de contagem de fótons do V Si PL registrada ao longo de uma das trilhas de dados. Quatro níveis de taxa de contagem representam os estados lógicos de dois bits 00, 01, 10 e 11. c) Estatísticas da taxa de contagem PL sobre todos os pixels.[/caption] Para aumentar a capacidade de armazenamento, demonstramos a codificação multicamadas conforme apresentado esquematicamente na Figura  . Usamos wafers comerciais de SiC e registramos mapas da Terra em diferentes épocas geológicas. Primeiro, esses mapas são convertidos em imagens em tons de cinza de oito bits (Supporting Information) com distância entre pixels de 80 nm. Os íons He com uma energia de 25 keV são focados em um tamanho de ponto de aproximadamente 1 nm na superfície da amostra em um microscópio de íons de hélio (HIM). Para encontrar as condições ideais de gravação, realizamos uma série de experimentos com diferentes fluências de implantação, conforme descrito nas Informações de Apoio. Descobrimos que a intensidade de V Si PL aumenta quase linearmente até uma fluência de Φ max = 1 × 10 13  cm −2 . Ele satura em 5 × 10 13  cm −2 e depois cai devido ao dano induzido por íons na estrutura cristalina do SiC. A escala de cinza para escrita de feixe de íons focado  é escolhida de forma que o estado lógico máximo de 8 bits seja codificado com Φ max σ HIM . Aqui, σ HIM é a área determinada pelo desvio lateral obtido na simulação SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Outros estados de bits diminuem linearmente com a fluência de implantação. [caption id="attachment_87023" align="aligncenter" width="633"] Armazenamento óptico de dados em SiC usando codificação multicamada. a) Um esquema do meio de armazenamento óptico com camadas de dados de cerca de 250 nm de espessura, separadas por espaçadores transparentes. b) Varreduras PL confocal em profundidade através de dois pontos. Os pontos são selecionados de forma que a fluência de irradiação seja a mesma na camada dois e diferente na camada um. Devido à absorção insignificante do laser de excitação e do V Si PL no SiC, não há interferência entre as camadas. c) Um mapa da Terra de 240 milhões de anos atrás armazenado/recuperado da camada um. Uma codificação em escala

de cinza de oito bits é usada pela escrita de feixe de íons e uma codificação de três bits é reinstaurada pela leitura óptica. d) Um mapa da Terra hoje armazenado/recuperado da camada dois. A taxa de contagem de fundo de 50k cps causada pelo V Si residual é subtraída em (c, d). A taxa de contagem de 87,5 mil cps corresponde a um nível da codificação em escala de cinza de três bits.[/caption] Depois de escrever mapas individuais da Terra em wafers de SiC separados, eles são empilhados juntos (Figura  3a ). Em seguida, usamos uma configuração confocal para recuperar os mapas armazenados. Varreduras detalhadas através de diferentes pontos são mostradas na Figura  3b . O espaçador transparente nessas varreduras é dado pela espessura do wafer de 250 µm. Considerando a resolução de profundidade de 60 µm juntamente com a distância de trabalho da objetiva de 700 µm, concluímos que até dez camadas podem ser recuperadas sem interferência. Isso se deve ao fraco coeficiente de absorção de SiC nos comprimentos de onda de excitação e V Si PL, que são maiores que 380 nm, correspondendo ao bandgap 4H-SiC. Os mapas recuperados de duas camadas separadas por um espaçador são apresentados nas Figuras  3c e d . Aqui, usamos codificação de 3 bits para reconstruir os mapas. Como a separação de pixels no desenho do projeto é muito menor do que a resolução espacial óptica e a codificação de escrita é mais precisa do que a codificação de leitura, muitos detalhes são calculados em média (Informações de Suporte). Por esta razão, não podemos estimar a precisão da leitura da Figura  3 . Agora estimamos o limite de densidade de armazenamento da nossa gravação 4D. A resolução óptica lateral é dada pelo critério de Rayleigh 1,22λ/NA, onde λ = 785 nm é o comprimento de onda de excitação e NA = 0,81 é a abertura numérica da objetiva. Consideramos então dez camadas e codificação em escala de cinza de três bits para a terceira e quarta dimensões, respectivamente. Finalmente, obtemos uma densidade de armazenamento de 75 Gbit/in2 para dez camadas. 2.3 Leitura de Catodoluminescência O limite de difração do tamanho mínimo do ponto sob excitação óptica é muito maior que a área implantada no HIM. A Figura  4a mostra uma simulação SRIM da distribuição lateral e profunda dos defeitos V Si criados por íons He com energia de 25 keV. A profundidade de penetração dos íons He com esta energia é de cerca de 250 nm. Devido ao espalhamento lateral de íons dentro da camada de SiC, a área implantada tem cerca de σ HIM ≈200 nm de diâmetro. Para aumentar a resolução espacial, propomos usar CL em vez de PL. A Figura  4b mostra o desgarrado de elétrons com energia de 5 keV em SiC, simulado com o software CASINO (monte CARlo SIMulation of electroN path in sOlids). O desvio lateral é de cerca de σ CL ≈ 300 nm. Embora os elétrons com essa energia penetrem no SiC ao longo de vários µm, a simulação da profundidade é limitada a uma profundidade de 250 nm, que é a espessura da camada epitaxial de SiC usada em nossos experimentos de CL. Observamos que a leitura multicamadas não é possível neste caso. [caption id="attachment_87025" align="aligncenter" width="1000"] Armazenamento de dados em SiC com leitura CL. a) Simulação SRIM da criação de V Si com implantação de He com energia de pouso de 25 keV indicando desgarrado longitudinal e lateral. b) Simulação CASINO do espalhamento longitudinal e lateral de elétrons com energia de 5 keV. c) Mapa de intensidade CL do código de barras escrito com HIM. d) Espectro CL das áreas irradiadas e cultivadas. e) Leitura integrada da linha CL através do código de barras armazenado em c). As linhas sólidas são um ajuste multi-gaussiano. A inserção mostra o código de barras armazenado em (c).[/caption] Os espectros CL na faixa de 800 a 1000 nm são mostrados na Figura  4d . Há um sinal CL extremamente baixo em uma amostra cultivada em comparação com PL. A razão para isso é uma concentração cada vez mais baixa de defeitos de V Si nas camadas epitaxiais em comparação com os wafers HPSI usados ​​para PL (Seção Experimental).

Após a implantação de He a uma fluência de 5 × 10 13  cm −2 , o espectro CL tem a mesma posição de pico e largura espectral que o espectro PL da Figura  1b , demonstrando que os elétrons podem de fato excitar eficientemente os defeitos V Si . Em seguida, usamos o HIM para escrever um código de barras representado no encarte da Figura  4e . Este código de barras representa o número 916, correspondente à posição espectral de uma das linhas de fônons zero V Si em 4H-SiC. O código de barras foi criado usando linhas de pixel único com fluência de 70 íons/nm a uma energia de 25 keV usando uma corrente de íons de 0,5 pA. O código de barras recuperado com CL é apresentado na Figura  4c . Para ser espectralmente seletivo à emissão dos defeitos V Si , detectamos sinais de 800 nm (usando filtros passa-longo) a 1000 nm (dado pela sensibilidade espectral do detector de silício). Para analisar a resolução espacial, integramos o sinal ao longo das barras e traçamos a varredura linear através das barras, conforme mostrado na Figura  4e . A partir do ajuste multi-gaussiano, descobrimos que a largura total na metade do máximo (FWHM) das barras mais estreitas é de cerca de 420 nm, o que representa a resolução espacial. Este valor está em boa concordância com a resolução espacial lateral esperada dada pelo He combinado e pelo espalhamento de elétrons. De acordo com a Figura  4a,b , a resolução espacial pode ser significativamente melhorada se a profundidade de criação dos defeitos V Si for limitada a 50 nm. Isto pode ser realizado usando íons He com menor energia em combinação com camadas epitaxiais de SiC mais finas. O espalhamento lateral de íons e elétrons He é limitado, neste caso, a 30 e 40 nm, respectivamente, resultando em uma resolução espacial total de 50 nm. Corresponde à densidade de armazenamento para uma única camada próxima de 300 Gbit/in 2 , que é comparável à densidade de área de registro das fitas magnéticas mas com tempo de armazenamento muito maior e sem necessidade de migração de dados. Observamos que a densidade máxima de defeitos V Si opticamente ativos é 10 16  cm −3 ,  enquanto para concentrações mais altas a presença de canais de recombinação não radiativos devido a danos no cristal induzidos por irradiação suprime a emissão. Para tal densidade de volume, a distância média entre defeitos únicos de V Si é de 46 nm. Portanto, para atingir a densidade de armazenamento de área acima mencionada de 300 Gbit/in 2 , o único bit deve ser armazenado em um único ou em poucos defeitos V Si . A criação de um número único ou contável de defeitos V Si obedece à distribuição de Poisson. Para o valor médio de 1 V Si , a probabilidade de criar defeitos de 0 V Si é de cerca de 36,7% e a fidelidade de escrita correspondente é baixa. Porém, no limite de defeitos únicos ou poucos, a codificação binária é possível, onde o 0 lógico é representado pela ausência do sinal CL e o 1 lógico é representado pelo sinal CL diferente de zero dos defeitos V Si . Particularmente, se o valor médio for igual a 5 V Si , a probabilidade de criar um defeito de 0 V Si é inferior a 0,7%. A fidelidade de escrita correspondente definida estatisticamente estaria acima de 99,3% neste caso. O rendimento de criação de defeitos únicos de V Si usando íons He com uma energia de 6 keV é de 8,5%, o que corresponde em média a 12 íons He necessários para criar um (ou 5) centro (s) V Si . Com base nesses números, a energia mínima necessária para armazenar um único bit é estimada em 10 fJ (ou 50 fJ). Este valor não leva em consideração o consumo de energia necessário para manter a IHM funcionando. O consumo geral de energia aumenta com o número de bits e a velocidade de escrita/leitura, mas não existe tal escalonamento para a operação da HIM. Portanto, no limite de um número muito grande de bits, a energia consumida deve ser determinada pela necessária para escrever o bit individual. A velocidade de gravação alcançável é um critério importante para armazenamento de dados a longo prazo.

É limitado pela fluência necessária para a criação dos defeitos e pela corrente do feixe de íons. No entanto, este último está ligado ao tamanho do spot alcançável e, portanto, não pode ser aumentado indefinidamente. Se assumirmos uma fluência necessária de Φ He = 1,2 × 10 12  cm −2 e uma área de bits de 1000 nm 2 de acordo com os resultados apresentados acima, necessitamos da implantação de ≈12 íons He. No caso da HIM, podemos utilizar altas correntes na faixa de 2 pA, pois a resolução necessária pode ser facilmente alcançada. Nestas condições, a gravação de um único pixel requer apenas 100 ns. Portanto, nossa abordagem tem potencial para atingir uma velocidade de gravação de 10 Mbit/s (ignorando o tempo necessário para direção e atualização do feixe, que é apenas uma pequena correção). Essa velocidade de gravação é mais rápida do que em outras mídias ópticas de armazenamento de dados.  Defeitos opticamente ativos também podem ser alcançados com outros íons. Uma fonte de íons metálicos líquidos permitirá aumentar a corrente para alguns 10 nA. Desde que o tamanho do ponto de 40 nm possa ser mantido, isto resulta, no entanto, em tempos de permanência extremamente curtos, o que exigirá novos supressores de feixe de alta velocidade. Assumindo um supressor tão rápido, capaz de apagar e revelar o feixe em menos de 10 ns , uma corrente de 200 pA é necessária para atingir a fluência necessária Φ Ga . Em tal sistema FIB hipotético, velocidades de gravação de até 100 Mbit/s poderiam ser alcançadas. A velocidade de leitura é diretamente limitada pela taxa de emissão dos defeitos V Si . Para o armazenamento de dados ópticos 4D descrito na Figura   , o potencial limite superior da velocidade de leitura é de cerca de 100 kbit/s. É muito menor se bits únicos forem armazenados em defeitos únicos de V Si , estando na faixa de apenas 1 kbit/s. Alguns outros centros de cores em SiC demonstram PL muito forte, que pode fornecer velocidade de leitura de defeitos únicos superior a 1 Mbit/s.  Alternativamente, a taxa de contagem e, correspondentemente, a velocidade de leitura podem ser significativamente melhoradas coletando PL da face m do cristal de SiC  ou coletando CL de nanocristais de SiC  depositados em uma superfície condutora espelhada. 3 Conclusão Demonstramos armazenamento de dados ultralongo e de alta densidade baseado em defeitos V Si , que são criados por feixes de íons focados. Para recuperar as informações armazenadas, excitamos os defeitos V Si com um laser de 785 nm usado em drives de CD e detectamos seu PL. Em seguida, aplicamos esquemas de codificação em escala de cinza de dois e oito bits com base na intensidade PL para armazenar texto e imagens, respectivamente. As imagens são armazenadas em duas camadas e nossas estimativas mostram que até dez camadas podem ser lidas sem interferência. Neste caso, a densidade de armazenamento projetada está na faixa de dezenas de Gbit/pol 2 , o que é comparável com discos HD DVD e Blu-ray. A extrapolação do tempo de decaimento do PL ativado termicamente aponta para um tempo de armazenamento extremamente longo. Para superar o limite de difração, demonstramos então que CL pode ser usado em vez de PL para ler bits codificados em defeitos V Si opticamente ativos. Para examinar a resolução espacial, que determina a densidade de armazenamento de área, escrevemos um código de barras em 4H-SiC usando HIM e lemos usando CL. Embora a resolução espacial do CL de cerca de 360 ​​nm seja melhor do que no caso do PL, ela é limitada pelo espalhamento de íons e elétrons durante os processos de gravação e leitura, respectivamente. Ao reduzir a espessura da camada de gravação para 50 nm, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada, proporcionando o limite teórico da densidade de armazenamento de cerca de 300 Gbit/in 2 . Nossa abordagem não se limita ao SiC e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D como WS 2  e hBN.  4 Seção Experimental

Amostras As amostras de 4H-SiC foram adquiridas da STMicroelectronics (anteriormente Norstel). Para os experimentos de PL, foi utilizado um wafer 4H-SiC semi-isolante de alta pureza (HPSI). Para os experimentos de CL, foi utilizada uma camada epitaxial de 4H-SiC tipo p (nível de dopagem 1 × 10 17  cm -3 ) com espessura de 250 nm, cultivada em um substrato 4H-SiC tipo n. Um substrato condutor foi necessário para descarregar a amostra quando ela foi exposta ao feixe de elétrons em experimentos de CL. Microscópio Confocal As medições de PL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo, utilizando um microscópio confocal caseiro. Um laser acoplado a fibra de 785 nm de onda contínua (Thorlabs, LP785-SF20) foi enviado através de um filtro passa-faixa de 785 nm com uma janela de transmissão de 10 nm (AHF Analysentechnik AG, ZET785/10) e focado na amostra usando um objetiva do microscópio com NA = 0,81 otimizada para a faixa espectral NIR. A potência do laser foi controlada usando um atenuador de fibra óptica variável em linha (Thorlabs, VOA780-FC) e ajustada para aproximadamente 6 mW. Utilizando um sistema de nanoposicionamento de circuito fechado (attocube, ANPx311) ancorado ao porta-amostras, foram realizadas varreduras raster PL confocal 2D dos padrões HIM espacialmente seletivos. Para as varreduras PL em profundidade, foi considerado o índice de refração de SiC n SiC = 2,6. A emissão NIR do V Si foi coletada pela mesma objetiva enquanto os resíduos da luz laser foram limpos por um conjunto de dois filtros passa-longa de 800 nm (Thorlabs, FELH0800). O PL foi alimentado em um detector de fóton único de nanofio supercondutor acoplado a fibra de banda larga (Single Quantum) para medições de PL espectralmente integradas ou acoplado a um espectrômetro equipado com um Si-CCD (Andor Technology, iVac 324 FI) para medições de PL seletivas de comprimento de onda . Implantação de feixe de íons focado Os experimentos com feixe de prótons foram realizados nas instalações de irradiação TIARA da QST Takasaki, Japão. O acelerador de partículas de extremidade única de 3 MV foi utilizado para gerar um feixe focalizado estável com tamanho típico de 1 × 1 µm 2 , que foi estimado na estação final por imagens de elétrons secundários em uma malha de cobre. A estação final foi equipada com um estágio de precisão de dois eixos (Canon Precision) e controlou a posição do wafer SiC. A corrente do feixe através do porta-amostras foi monitorada durante a irradiação para registrar flutuações e desvios da corrente e fluência pretendidas, enquanto as correntes precisas do feixe foram avaliadas antes e depois do experimento de irradiação por um copo de Faraday conectado a um picômetro. Toda a irradiação com feixe de íons He foi realizada em um Carl Zeiss Orion NanoFAB. A máquina possui vários complementos, incluindo um supressor rápido capaz do comprimento de pulso ultracurto mencionado acima, que também é usado para TOF-SIMS.  Salvo indicação em contrário, uma pressão de hélio de2×10−6mbar, foi utilizada uma abertura de 10 µm, número de controle de ponto 4 e tensão de aceleração de 25 kV. Para reduzir a irradiação não intencional por átomos de He energéticos neutros, todos os padrões de irradiação foram colocados pelo menos 50 µm (normalmente 100 µm) fora do eixo da coluna óptica de íons. Catodoluminescência O sistema de detecção óptica comercialmente disponível (delmic SPARC) utilizado para as medições de CL foi acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (scienta omicron NanoSAM Lab). A amostra foi montada em um sistema de microposicionamento controlado por piezo. O feixe de elétrons foi direcionado através de uma abertura micrométrica do espelho parabólico e focado na superfície da amostra até um tamanho de ponto abaixo de 10 nm. Um sinal CL foi emitido quando o feixe contínuo de elétrons de 5 keV (1 nA) excita V Si no ponto focal do espelho parabólico. A resposta CL foi coletada pelo mesmo espelho parabólico e acoplada a fibra (Thorlabs,

FG300AEA) a um Si-APD (Thorlabs, APD440A) para medições CL espectralmente integradas ou acoplada a um espectrômetro equipado com uma câmera Si-CMOS (Andor Technology , Zyla 5.5 sCMOS) para medições CL seletivas de comprimento de onda. Mapas de intensidade CL 2D foram obtidos escaneando o feixe de elétrons lateralmente através do padrão HIM. Para evitar contribuições de outros defeitos luminescentes na faixa espectral visível, o sinal CL foi filtrado em passagem longa a 830 nm (Semrock, LP02-830RE-25). Todas as medições de CL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo. Reconhecimentos VD e GVA reconheceram o apoio financeiro do Cluster de Excelência em Complexidade e Topologia em Matéria Quântica de Würzburg-Dresden ct.qmat (EXC 2147, ID de projeto DFG 390858490). TO reconheceu o apoio do MEXT Q-LEAP JPMXS0118067395. M. Ho. obrigado Helmut Schultheiss pela assistência com o Blender na preparação dos esquemas na Figura  1a . GH e LB são membros da Ação COST FIT4NANO CA19140 http://www.fit4nano.eu. HK realizou trabalhos no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sob contrato com a Nastional Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). O apoio do Ion Beam Center (IBC) nas instalações de irradiação HZDR e TIARA da QST Takasaki é reconhecido com gratidão pela implantação iônica. Financiamento de acesso aberto habilitado e organizado pelo Projekt DEAL. Conflito de interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.