Революция света: синие светодиоды освещают мир по-новому

Исаму Акасаки, Хироси Амано и Судзи Накамура получили Нобелевскую премию за изобретение нового энергосберегающего и безопасного для окружающей среды источника света — синих светодиодов. В духе Альфреда Нобеля, премия присуждается за изобретения, приносящих наибольшую пользу для человечества, с помощью синих светодиодов белый свет может быть создан по-новому. С появлением светодиодных ламп у нас теперь есть более долговечная и эффективная альтернатива старым источникам света.

Когда Акасаки, Амано и Накамура прибыли в начале декабря в Стокгольм для участия в церемонии вручения Нобелевской премии, они вряд ли могли не заметить свет от своего изобретения практически во всех окнах города. Белые светодиодные лампы являются энергосберегающими, долговечными и излучают яркий белый свет. Более того, в отличие от люминесцентных ламп, они не содержат ртуть.

Красные и зеленые светодиоды были с нами в течение почти полувека, но синий свет произвел революцию в технологии освещения. Только триада красного, зеленого и синего может дать в итоге белый свет, который освещает мир для нас. Несмотря на высокие ставки и большие усилия, предпринятые научным сообществом, синий свет был недоступен на протяжении трех десятилетий.

Акасаки работал с Амано в Университете Нагоя, а Накамура работал в Nichia Chemicals, небольшой компании в Токусимо на острове Сикоку. Когда они получили ярко-синий свет от полупроводников, открылись врата для кардинально новой технологии освещения. Лампы накаливания зажгли 20-ый век, а 21-й будет освещен светодиодами.

Сохраняя энергию и ресурсы

Светодиоды состоят из ряда слоистых полупроводниковых материалов. В светодиодах электричество непосредственно преобразуется в  фотоны, что приводит к повышению эффективности по сравнению с другими источниками света, где большая часть электроэнергии преобразуется в тепло и лишь небольшое количество в свет. В лампах накаливания, также как и в галогенных лампах, электрический ток используется для нагрева проволочной нити, что и дает свечение. В люминесцентных лампах (ранее упоминающиеся как энергосберегающие лампы, но с появлением светодиодных ламп, потерявших свой смысл) газовый разряд создает одновременно и тепло, и свет.

Таким образом, новые светодиоды требуют меньше энергии для того, чтобы излучать свет по сравнению со старыми источниками света. Кроме того, они постоянно совершенствуются, становятся более эффективными, с более высоким световым потоком (измеряется в люменах) на единицу электрической входной мощности (измеряется в ваттах). Самая последняя разработка — 300 люмен/ватт, что можно сравнить с 16 лампами накаливания и 70 люминесцентными лампами. Так как около четверти мирового потребления электроэнергии используется для целей освещения, высокая энергоэффективность светодиодов способствует экономии ресурсов Земного шара.

Светодиоды имеют более долгий срок службы в отличие от других ламп. Ресурс ламп накаливания около 1000 часов, тогда как у люминесцентных-10000 часов. Срок службы светодиодов — 100000 часов, что значительно сокращает потребление материалов.

Создание света в полупроводнике

Светодиодная технология берет свое начало в той же области «инженерного искусства», которая дала нам мобильные телефоны, компьютеры и все остальное современное электронное оборудование на основе квантовых явлений. Светодиоды состоят из нескольких слоев:

• n-слой с переизбытком отрицательных электронов,
• р-слой с недостаточным количеством электронов, также известный как слой с переизбытком положительно заряженных дырок.

Между ними находится активный слой, к которому движутся дырки и отрицательно заряженные электроны, когда электрическое напряжение подается на полупроводник. Когда электроны встречаются с дырками, они рекомбинируются, и это приводит к излучению света. Длина волны источника света полностью зависит от полупроводника, синий свет появляется в конце коротковолнового спектра и может быть только произведен в некоторых материалах.

Первый доклад о свете, излучаемым полупроводником, был представлен в 1907 году Генри Раундом, коллегой Маркони, лауреатом Нобелевской премии 1909 года. Позже, в 20-30-х годах, в Советском Союзе, Олег Владимирович Лосев провел более детальные исследования светового излучения. Однако, Раунду и Лосеву не хватило знаний, чтобы разобраться в феномене. Понадобилось несколько десятилетий, прежде, чем появились предпосылки для теоретического описания электролюминесценции.

Красные светодиоды были изобретены в конце 50-х годов. Они использовались в цифровых часах и калькуляторах, для индикации положения вкл/выкл в различных приборах. Было очевидно, что для создания белого света не хватало синего диода с малой длиной волны, состоящей из высокоэнергетических фотонов. Многие лаборатории бились над этой задачей, но безуспешно.

Вопреки трудностям

Лауреаты бросили вызов установленным истинам, они упорно трудились и взяли на себя значительные риски. Они собрали оборудование, разработали технологию и проводили тысячи экспериментов. Большую часть времени они терпели неудачу, но не сломались, это были высококлассные профессионалы. Акасаки, Амано и Накамура выбрали в качестве материала нитрид галлия, в конечном счете, их усилия были вознаграждены, и они добились успеха. Еще на ранней стадии было очевидно, что выбранный материал подходит для производства синего цвета, но на практике все оказалось значительно сложнее. Очень трудно было вырастить высококачественные кристаллы нитрида галлия, и казалось совершенно невероятным найти поверхность для выращивания кристаллов. Кроме того, было практически невозможно создать р-слой в этом материале.

Тем не менее, Акасаки, основываясь на предыдущие эксперименты, был убежден в правильном выборе материала и продолжил работу с Амано, аспирантом Университета Нагоя. Накамура также выбрал нитрид галлия вместо селенида цинка, который другие ученые считали более перспективным материалом.

Fiat Lux — да будет свет

В 1986 году Акасаки и Амано первыми преуспели в создании высококачественных кристаллов нитрида галлия, поместив слой нитрида алюминия на сапфировую подложку, а затем поверх него, вырастив слой высококачественного кристалла нитрида галлия. Несколько лет спустя, в конце 80-х они совершили прорыв в создании р-слоя. По стечению обстоятельств, Акасаки и Амано обнаружили, что их материал светится ярче, когда они его изучали в сканирующем электронном микроскопе. Это позволило предположить, что электронный пучок от микроскопа повышает эффективность р-слоя. В 1992 году они смогли показать свой первый диод, испускающий яркий синий свет. Накамура начал развивать свои разработки синего диода в 1988 году. Два года спустя ему тоже удалось создать высококачественный нитрид галлия. Он нашел способ создания кристалла посредством роста тонкого слоя из нитрида галлия при низкой температуре, а затем последующих слоев при более высокой температуре.

Накамура смог также объяснить, почему Акасаки и Амано удалось получить р-слой: пучок электронов удалил водород, который препятствовал образованию р-слоя. Со своей стороны, Накамура заменил пучок электронов на более простой и дешевый способ: в 1992 году ему удалось создать функциональный р-слой при нагревании материала. Таким образом, решения Накамуро существенно отличались от решений Акасаки и Амано. В течение 90-х годов обе исследовательские группы улучшили технологию производства синих светодиодов, что повысило их эффективность. Они создали различные сплавы нитрида галлия с использованием алюминия или индия, и структура световых индикаторов становилась все более сложной.

Акасаки вместе с Амано, также как и Накамура, изобрели синий лазер, в котором синий светодиод, размером с песчинку, является важнейшим компонентом. В отличие от рассеянного света светодиода, синий лазер излучает сфокусированный световой пучок. Так как синий свет имеет очень короткую длину волны, он может быть сжат гораздо сильнее, одна и та же область с синим светом может хранить информацию в четыре раза больше, чем с инфракрасным. Это увеличение емкости запоминающего устройства привело к разработке Blu-ray дисков, а также улучшенных лазерных принтеров. Бытовая техника также стала оснащаться светодиодами. Их свет можно наблюдать на LCD-экранах телевизоров, мониторах, мобильных телефонах, для которых они также осуществляют вспышку для камеры.

Революция света

Изобретения лауреатов вызвали революцию в технологии освещения. Были разработаны новые, более дешевые и эффективные лампы. Белый свет может быть создан двумя различными способами. Один из них заключается в использовании синего света для облучения люминофора, так, чтобы он светил красным и зеленым. Когда все цвета сливаются воедино, появляется белый свет. Другой способ состоит в построении лампы из трех светодиодов: красного, зеленого и синего и позволяет человеческому глазу объединить эти три цвета в белый.

Таким образом, светодиодные лампы являются гибким источником света, с различным применением в области освещения. Могут быть получены миллионы разных цветов, цвета и их интенсивность можно варьировать по мере необходимости. Красочные световые панели, размером несколько сотен квадратных метров, в мгновение ока могут изменять цвета и узоры. И всем этим можно управлять с помощью компьютера. Возможность контролировать цвет света также подразумевает, что светодиодные лампы могут воспроизводить чередование естественного света и следовать нашим биологическим часам. Выращивание в парниках с помощью искусственного света — это уже реальность.

Светодиодные лампы также имеют большие перспективы, когда дело доходит до повышения качества уровня жизни для более, чем 1,5 миллиардов человек, которые в настоящее время не имеют доступа к электрическим сетям. В связи с низким энергопотреблением светодиодная лампа может питаться от дешевой местной солнечной энергии. Кроме того, загрязненная вода может быть стерилизована с помощью ультрафиолетовых светодиодов, последующей разработки синих светодиодов. Синий светодиод изобрели всего 20 лет назад, но это уже способствовало созданию белого света на благо всех нас.

Источники: http://kva.se

http://nobelprize.org

[add_ratings]