综述：光信息存储的多维调控机制

《Materials Research Bulletin》：Multi-Dimensional Regulation Mechanisms for Optical Information Storage

　　

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  光学存储的五级分类：缺陷态、价态、能量转移、结构、超表面。
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  用于可重写、多模态及X射线诱导光学存储的陷阱深度工程。
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  多机制协同：缺陷-价态、能量-结构以及超表面-相变的集成。
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  具有光学功率记忆效应和固有物理加密的等离子体光热存储。

引言

随着大数据、人工智能与物联网的深度融合，全球数据量正呈指数级增长。据国际数据公司统计，2025年全球数据总量已超过175 ZB。这种爆炸式增长对信息存储技术提出了前所未有的挑战，要求在存储容量、使用寿命、安全性和能耗等方面实现全面突破[1]。然而，传统存储技术正逐渐逼近其物理极限[2]。磁存储受到超顺磁极限的限制，传统的垂直磁记录已接近约1 Tb/in²的存储密度[3]；电存储（如动态随机存取存储器和闪存）则存在固有缺陷，包括动态随机存取存储器的易失性以及闪存的有限写入耐久性[4]。即便是依赖宏观凹坑结构进行单维信息编码的传统光学存储，也难以满足军事加密和医疗数据归档等应用场景在容量和安全性方面的需求[5]、[6]、[7]。

在此背景下，新型光学信息存储技术凭借其独特优势，已成为突破传统存储瓶颈的关键方向[8]。其非易失性使数据能在无持续供电的条件下保留数十年甚至数百年[9]；其多维调控能力允许通过波长、偏振、相位及空间位置等多个参数进行协同编码，理论存储密度较传统光学存储提升三至六个数量级[10]；其优异的抗干扰性能使其免受电磁辐射和磁场变化的影响，适用于航空航天及核工业等极端环境[11]。此外，光学存储系统还表现出强大的扩展性，可集成发光调制、动态防伪和多维信息编码等附加功能，从而拓展至跨学科应用[12]。从消费级数据备份到国家核心数据安全存储，从高端产品防伪到生物医学图像归档，光学信息存储技术的应用需求正从"补充替代"向"核心支撑"转变，推动该领域实现快速创新。

光学信息存储技术的演进，本质上是对光—物质相互作用调控精度与维度的持续突破[13]。在早期阶段，该技术主要依赖于激光记录微米级凹坑结构以及通过宏观反射光强度调制进行信息编码。随后，其发展到利用材料的微观物理与化学状态——如缺陷态[14]、离子价态[15]、能量转移[16]以及晶格相变[17]——作为信息调制因素，实现了纳米级调控，将存储密度从10 Gb/in²量级提升至Tb/in²量级，并集成了多维动态功能。目前，光学信息存储技术已进入以超表面和多机制协同为特征的新阶段，突破了体材料性质的局限：一方面，利用超表面的亚波长结构来定制光波前；另一方面，借助缺陷—等离子体以及相变—超表面相互作用等协同机制，推动光学存储向片上集成、高安全加密和智能响应方向发展[18]。

以光—物质相互作用的主导调控机制为主线，本综述将当前新型光学信息存储技术系统划分为五大类：缺陷态调控、价态转变调控、能量转移调控、结构调控以及超表面调控。这五种机制对应不同的主导调控基础，包括缺陷相关电子态、离子价态构型、能量转移相互作用与路径、分子或晶格结构状态，以及纳米结构赋能的光场操控，反映了光—物质相互作用调控从材料级调制向亚波长波前工程的演进历程。需要注意的是，在实际系统中，这些机制并非完全独立的物理过程。单一材料平台内可能同时存在多种调控路径，而本文的分类方案由负责信息状态变化的主导调控路径决定。其他耦合过程则被视为对光学调制有贡献的辅助效应，而非机制分类的主要依据。以下各章节将根据各机制的主导调控基础、调制过程、光学响应及其所产生的存储功能进行详细论述。

章节片段

基于缺陷态调控的光学存储

缺陷态调控机制的核心在于利用材料晶格中的本征或光诱导缺陷/陷阱能级作为电子捕获与释放的信息调控中心，从而实现信息的存储与读取[19]。在此过程中，光学激发产生的载流子随后被不同深度的陷阱态捕获，从而完成信息写入[20]。在热刺激或近红外光

价态转变调控的光学存储

价态转变调控是指通过可逆氧化还原反应调整发光中心离子的价态，从而实现光学信号的开关或切换[33]。基体基质、配位环境和晶格缺陷可作为调节价态转变过程的辅助因素，而该机制中的信息调制主要来源于离子价态构型的可逆变化。与缺陷态调控

能量转移调控的光学存储

能量转移调控通过受控调节供体—受体相互作用和能级关系，操控"供体"与"受体"之间能量的传输路径与效率，从而间接调制光学响应[40]。通过设计特定的供体—受体相互作用，可以利用荧光共振能量转移等机制调节发光颜色、强度等性质[41]。在写入阶段，特定波长的光

相变与结构重构调控的光学存储

结构调控机制源于由光、热等外场驱动的材料宏观或微观结构相变。这些相变导致材料的光学常数（折射率、消光系数等）发生突变，从而实现信息存储[50]。与缺陷态调控或价态转变调控不同，结构调控主要依赖于刺激诱导的重构

超表面调控的光学存储

超表面调控机制在原理上与上述所有基于材料体性质变化的机制存在根本性差异[65]。它利用在二维平面上设计的亚波长尺度人工原子阵列来定制和裁剪光波的基本属性，如相位、振幅和偏振态。信息通过纳米结构设计的几何参数和空间排列进行编码，

机制比较

上述五种光学信息存储技术路径各自拥有独特的调控特征，并对应各自的优势与局限。由于不同机制通过不同的物理过程调控光学信息，其存储能力与可靠性与主导调控基础、光学响应特性、信息编码维度以及应用需求之间的关系密切相关。因此，

结论与展望

基于上述机制比较与协同思路，本综述对当前光学信息存储的五大核心调控机制进行了深入分析，包括缺陷态调控、价态转变调控、能量转移调控、结构调控和超表面调控，并对每种技术的材料体系、性能增强策略和应用前景进行了详细总结。尽管各种

CRediT作者贡献声明

严雪文：资金获取，形式分析。高巍：监督，调查。韩晴燕：方法论，形式分析。陈华浩：初稿撰写，调查。张成云：初稿撰写，调查，资金获取，概念化。董军：审阅与编辑，资金获取，概念化。张明迪：审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由国家自然科学基金委（12674507，12274341）、中国博士后科学基金（2023M734282）、陕西省科技创新指导专项基金（2025QCY-KXJ010）、陕西省科学技术厅重点研发计划（2025CY-YBXM-114，2025CY-YBXM-077）、西安市自然科学基金项目（2025JH-ZRKX-0299）以及电子学院跨学科研究项目

张成云|陈华浩|韩晴燕|高巍|严雪文|张明迪|董军