Цього року Нобелівська премія з фізики дісталась за винахід, який якщо і не врятував увесь світ, проте зробив його значно ефективнішим. Мова йде про сині світлодіоди, які дали поштовх технічній революції в гаджетах, на виробництві та в побуті. Вони освітлюють вулиці, дозволяють дивитися фільми та зберігати дані. Ось коротка історія світової революції синього світлодіоду.
Цьогорічну нобелівську премію отримали розробники цього типу LED Ісаму Акасакі, Хіроші Амано та Шуджі Накамура. Перші два працюють в японському Університеті Нагоя, а другий – в Університеті Каліфорнії.
Самі світлодіоди винайшли ще в 50-х роках, проте вони мали лише один колір – червоний. Зелений з’явився трохи пізніше, що дозволило реалізувати різноманітні індикатори в техніці. Однак інженерам потрібний був білий світлодіод, який би дозволив робити значно більше, ніж індикатори в комп’ютерах та годинниках.
«Сьогодні на освітлення йде приблизно 20% всієї електроенергії, – каже співробітник Кембриджського університету Колін Хампфрі. – Перехід на лампи з LED заощадить до 50%».
Додавання кольору
Ключем до появи білого світлодіоду був синій колір, який при проходженні через жовтий фосфор давав біле світло. Створення таких LED виявилося складною задачею – до 1980-х років світ знав лише червоний та зелений кольори.
Причина такої технологічної затримки – у методиках виробництва електроніки. Світлодіоди складаються з багатьох шарів напівпровідників, які при прикладенні струму генерують світло. Колір останнього залежить від матеріалу напівпровідника, наприклад, червоний дають кристали арсеніду галію.
Дослідники знали, що для синього кольору необхідно об’єднати нітрид галію з індієм, однак технології того часу не дозволяли створити подібний елемент. Причина в тому, що структура нітриду галію повинна збігатися з шарами, що його оточують. Інакше з’являються дефекти, які перешкоджатимуть утворенню світла.
У 1986 році вчені нарешті змогли налагодити необхідний виробничий процес, у чому їм допоміг додатковий шар матеріалу. Вони виростили кристал нітриду галію на сапфіровій основі, яка була покрита нітридом алюмінію. У той самий час Накамура знайшов інший спосіб вирощування кристалу нітриду галію при низьких та високих температурах.
Блакитні фільми
Поява світлодіодів синього кольору дала значний поштовх для розвитку електроніки. Наприклад, вони зробили можливими сині лазери, які використовуються в програвачах дисків формату Blu-ray. Вони мають максимальну ємність порівняно з іншими форматами оптичних носіїв через те, що синій лазер має найменшу довжину хвилі, і його можна сфокусувати в точку меншої площі. Завдяки цьому на диску вміщується більше інформації.
Окрім десятків додаткових гігабайтів, синій світлодіод дозволив заощадити на освітленні. Лампи на базі LED працюють до 100 тис. годин – у 10 разів довше, ніж флуоресцентні, та у 100 разів довше за звичайні розжарювання. «Швидше виходять з ладу електронні системи управління в лампі LED, ніж самі світлодіоди», – говорить Хампфрі.
У майбутньому виробники можуть скоротити затрати на електроенергію ще на 5%, замінивши фосфор у світлодіоді. Завдяки цьому спектр такої лампи стане ближчим до сонячного та приємнішим для людей. «Це може поліпшити здоров’я тих, хто працює позмінно, – каже Хампфрі. – Такі працівники мають сьогодні вищі шанси захворіти раком».
За матеріалами: New Scientist
