LED-urile albastre au câștigat premiul Nobel pentru fizică

Invenția diodelor emițătoare de lumină albastră, care sunt esențiale pentru luminile eficiente din punct de vedere energetic care iluminează casele, birourile și afișajele electronice, a adus trei oameni de știință Premiul Nobel pentru fizică în 2014. Isamu Akasaki de la Universitatea Meijo și Universitatea Nagoya din Japonia, Hiroshi Amano de la Universitatea Nagoya și Shuji Nakamura de la Universitatea din California, Santa Barbara vor împărți premiul de aproximativ 1,1 milioane de dolari.

„Dacă ne uităm la peisajul tehnologiei, există tranzistorul și circuitul integrat și apoi este LED-ul albastru”, spune Fred Schubert, inginer electrician la Institutul Politehnic Rensselaer din Troy, NY.

LED-ul albastru este ingredientul crucial pentru lămpile cu LED albe, care înlocuiesc rapid becurile incandescente. Invenția clasică a lui Edison folosește un filament care emite lumină într-o gamă de culori care împreună arată alb. Dar multă energie electrică se irosește încălzind filamentul, mai degrabă decât generând lumină.

LED-urile sunt mult mai eficiente din punct de vedere energetic, deoarece folosesc electroni pentru a genera fotoni. LED-urile sunt realizate din straturi de semiconductori, materiale similare cu cele din cipurile computerelor. Unele straturi au un exces de electroni; altele au un deficit, ceea ce duce la apariția unor găuri încărcate pozitiv unde electronii ar trebui să fie (SN: 18/10/14, str. 22). Combină electronii și găurile într-o zonă concentrată și emit lumină.

A LUMINA Diodele emițătoare de lumină albastră sunt componente cheie ale televizoarelor, smartphone-urilor și becurilor LED albe. Bill Bradford/Flickr (CC BY 2.0)

În 1962, Nick Holonyak de la General Electric a descoperit din întâmplare prima diodă semiconductoare care emite lumină vizibilă când a stins luminile în laboratorul său și a observat o probă de fosfură de arseniură de galiu strălucitoare în roșu. De acolo, oamenii de știință au dezvoltat rapid LED-uri care emit lumină roșie și verde. Dar obținerea albastrului, care este esențial pentru crearea unei varietăți de alte culori, inclusiv alb, a rămas o provocare majoră. Lumina albastră se află la capătul de înaltă energie al spectrului vizibil și nu există multe materiale care pot convinge electronii să emită o astfel de lumină de înaltă energie.

La sfârșitul anilor 1980, Akasaki și studentul său de atunci, Amano, studiau un semiconductor numit nitrură de galiu în căutarea acelei străluciri albastre evazive. Pe hârtie, nitrura de galiu dopată cu alte substanțe chimice avea capacitatea de a produce lumină albastră. Dar zeci de ingineri au încercat și nu au reușit să crească cristale de nitrură de galiu de înaltă calitate, care aveau un strat robust cu deficit de electroni. În 1986, Akasaki și Amano au folosit o bază de safir pentru a crește nitrură de galiu. Și apoi, la fel ca Holonyak, au avut o mare pauză care a venit din întâmplare: în timp ce au studiat materialul la microscop electronic pentru a-și da seama de ce era atât de dificil să produci un strat cu deficit de electroni, au observat un strat ieșind chiar în fața ochilor lor. .

Nakamura, lucrând în același timp la Nichia Chemicals, o companie de inginerie chimică din Tokushima, și-a dezvoltat propria metodă pentru a crea nitrură de galiu de înaltă calitate. El a descoperit, de asemenea, mecanismul din spatele observației surpriză la microscop a lui Akasaki și Amano. La începutul anilor 1990, el a dezvoltat o metodă de a produce simplu și ieftin LED-uri albastre.

Descoperirea lui Nakamura a provocat acrimonie. Nichia i-a plătit inițial lui Nakamura aproximativ 200 de dolari pentru invenția sa, chiar dacă compania îi spusese să nu caute LED-uri albastre; el venise în laborator noaptea târziu pentru a efectua cercetările, potrivit colegului cercetător al materialelor Colin Humphreys de la Universitatea din Cambridge. Nakamura l-a dat în judecată pe Nichia, iar în 2005 compania s-a stabilit cu el pentru aproximativ 8,1 milioane de dolari.

Descoperirea cercetătorilor a sosit în timpul epocii de aur a CD-urilor și chiar înainte de apariția DVD-urilor, spune Schubert, așa că prima aplicație a fost dezvoltarea laserelor albastre (SN: 13/12/97, str. 374), care a permis în curând discuri Blu-ray de mare capacitate și imprimante laser mai precise. În 1996, inginerul Nichia Yoshinori Shimizu a combinat LED-urile albastre cu un strat gălbui numit fosfor pentru a crea un dispozitiv care emite lumină albă. Acum becurile cu LED albe durează până la 100.000 de ore, comparativ cu 1.000 de ore pentru un bec incandescent.

Tehnologia bazată pe LED-uri albastre este omniprezentă astăzi, în tonul unei industrii de 15 miliarde de dolari. Pe lângă iluminarea caselor, străzilor și birourilor, LED-urile servesc ca iluminare de fundal pentru multe afișaje electronice, rezultând televizoare eficiente din punct de vedere energetic și o durată de viață mai lungă a bateriei pentru laptopuri și smartphone-uri.

Comitetul Nobel de la Academia Regală Suedeză de Științe prezintă adesea premii pentru teorii sau pentru observarea noilor fenomene fundamentale ale fizicii, dar de data aceasta, judecătorii s-au gândit clar la impactul general al cercetării. Alfred Nobel „a vrut ca premiul său să fie acordat inventatorilor în beneficiul omenirii”, a declarat membrul comitetului Olle Inganäs, fizician la Universitatea Linköping din Suedia, la o conferință de presă. „Ceea ce subliniem astăzi este utilitatea acestui lucru.”

Comitetul a remarcat că LED-urile care consumă energie pot ajuta la furnizarea de lumină celor aproximativ 1,5 miliarde de oameni din întreaga lume, fără acces la rețelele electrice. Iar Humphreys subliniază că iluminatul reprezintă aproximativ 20% din consumul de energie electrică din lume. „Dacă înlocuim iluminatul existent cu LED-uri, am putea economisi jumătate din acea electricitate”, spune el, eliminând necesitatea a aproximativ 500 de centrale electrice mari.