6592
Лампочка Накамури - за що дають Нобелівську премію (ФОТО, ВІДЕО)
— Особисті фінанси
Шведська королівська академія наук 7 жовтня 2014 назвала нових лауреатів Нобелівської премії з фізики. 10 грудня на святковій церемонії в Стокгольмі вшановуватимуть Исаму Акасака (Isamu Akasaki), Хіросі Амано (Hiroshi Amano) і Сюдзі Накамура (Shuji Nakamura) за розробку принципово нових екологічно чистих джерел світла. Сині світлодіоди майже в 5 разів ефективніше від люмінесцентних ламп і в 20 – звичайних ламп розжарювання.
Сині світлодіоди і пристрої на їх основі випускають такі промислові гіганти, як General Electric, Philips, Osram та інші. Напівпровідникові лампи застосовуються вкрай широко – від побутової електроніки і мобільних телефонів до медичних приладів і високочутливих датчиків. Приблизно чверть світової електроенергії витрачається на освітлення, і світлодіоди – один з найперспективніших напрямів використання електрики.
На початку 1960-х на основі фосфоріда і арсеніду галію створені перші промислові зразки світлодіодів, що випромінюють червоне світло, а потім і зелений. Уже тоді ці пристрої були ефективніше звичайних ламп розжарювання. Застосовувалися вони в якості різноманітних колірних індикаторів. Однак отримати дешевий і яскравий синій світлодіод довго не вдавалося.
Енергетична щілина (заборонена зона) – інтервал енергій, в якому в ідеальному кристалі, згідно з квантовомеханічною теорією руху електронів в твердому тілі, не можуть перебувати електрони. Така щілина відповідає інтервалу між валентною зоною і зоною провідності в кристалі.
Стандартний світловипромінювальний діод містить три шари напівпровідникових матеріалів. Електрична напруга змушує електрони від анода (n-шару) і дірки від електрода (p-шару) рухатися в проміжний шар, де вони рекомбінують з випромінюванням фотонів. Проміжний шар являє собою спеціальний кристал з певною шириною забороненої зони. Ширина цієї зони, а також домішки в кристалі визначають колір випромінювання.
Головна складність полягала в пошуку хорошого кристала для проміжного шару. Щоб він випромінював синє світло, необхідний матеріал з великою шириною забороненої зони. Це пов’язано з тим, що енергія фотонів в синьому діапазоні електромагнітного спектра майже в два рази більше, ніж у червоному.
Потрібними для синіх світлодіодів властивостями володіють елементи II і IV груп таблиці Менделєєва, а також нітриди елементів III групи, тому вчені почали свої експерименти саме з них. Перші досліди показали, що у випромінювання світлодіодів з кристалами на карбіті кремнію (SiC) низький коефіцієнт корисної дії і невисокий квантовий вихід – число фотонів, що утворилися в результаті рекомбінації пари електронів і дірок.
Пристрої на основі селеніду цинку (ZnSe) перегрівалися і тому служили недовго. В 1970-х фізики намагалися використовувати нітриди в якості матеріалу для проміжного шару. Про можливість отримання ефективних світлодіодів на такій основі ще в 1960-х роках повідомляли ленінградські дослідники з лабораторії Жореса Алфьорова.
Однак тільки Жаку Панкову (Якову Панчечнікову) з IBM (International Business Machines) вдалося створити перший синій світлодіод з кристалом з нітриду галію (GaN) на сапфіровій підкладці. Лампа з коштовним каменем не зустріла підтримки в американській компанії.
Через майже 20 років, в середині 1980-х років, японські вчені Акасака і Амано з Нагойского університету запропонували використовувати в светодиоді той же нітрид галію, але з домішкою магнію. Опромінюючи новий матеріал потоком електронів, вони змусили його світитися.
У 1989 році на відкриття Акасака і Амано звернув увагу співробітник Nichia Corporation Накамура і удосконалив техніку своїх колег. Вченому з приватної компанії вдалося запропонувати вдалий метод допіруваниня проміжного шару. Матеріал піддавався спеціальній термообробці і отримував домішки не тільки магнію, але і цинку, а потім – і індію.
Nichia Corporation запатентувала технологію Накамури (і його колег). У 1993 році компанія першою у світі налагодила промисловий випуск синіх світлодіодів і вже до кінця 1990-х випускала близько 20 мільйонів таких пристроїв на місяць. Винахіднику корпорація заплатила менше 200 доларів, і в 1999 році Накамура подав на неї до суду, вигравши після п’яти років розглядів 20 мільярдів ієн (близько 200 мільйонів доларів за курсом 2004-го).
Тяжба з Nichia Corporation спонукала вченого звільнитися з компанії і переїхати в США. Там він влаштувався на роботу в Каліфорнійський університет в Санта-Барбарі, а також науковим консультантом у приватну Cree Inc., що займається з 1987 року дослідженнями і виробництвом світлодіодів.
Як зазначив у розмові з «Лентой.ру» генеральний директор Російського квантового центру Руслан Юнусов, проблема створення світлодіодів, які випромінють синє світло, носила в значній мірі технологічний характер. «На той момент вже був запит від індустрії – їм був потрібний синій світлодіод. Все це розуміли. І з нітридом галію багато працювали, але саме японські колеги вирішили цю проблему. Вони підібрали легуючі елементи, навчилися ростити цю структуру на сапфірі, використовували потрібну кристалічну решітку, щоб добитися необхідного уширения зони і таким чином збільшити енергію і отримати синій колір», – повідомив експерт.
«Маючи синій світлодіод, за допомогою люмінофорів можна отримати менш енергетичні зелений і червоний. По перше, це дешевше, а по-друге, червоний, зелений і синій діоди в часі деградують по-різному і колір лампи змінювався б. Все це, з одного боку, знімає проблему кольору, а з іншого – здешевлює технологію. Це таке універсальне рішення», – продовжує він.
«Світлодіодні лампи дуже скоро все переможуть. У найближчі три роки ця технологія розкриється ще більше», – повідомив фахівець.
За матеріалами: Лента.РУ
Поділитися новиною
