A kék LED feltalálóié a fizikai Nobel-díj
Három japán kutató, Akaszaki Iszamu, Amano Hirosi és Nakamura Sudzsi kapta a 2014-es Svéd Királyi Tudományos Akadémia díját fizikából. A szakértők a nagy fényerejű, energiatakarékos és környezetbarát kék LED kifejlesztésében végzett tevékenységükért részesültek a kitüntetésben. Az általuk kifejlesztett kék LED-ek nélkül nem létezhetnének napjaink leggyakrabban használt fényforrásai, a fehér színű fénykibocsátó diódák sem. Míg a vörös és a zöld világító diódákat már közel fél évszázada kifejlesztették, a kék LED-ek létrehozása sokáig komoly technikai nehézségekbe ütközött, márpedig csak a három monokromatikus fényforrás együttes használatával vált lehetségessé, hogy a LED-es technológiával fehér fényt állítsanak elő a szakértők.
Míg az ettől eltérő elven működő fluoreszcens fényforrások esetében is jelentős energiák fordítódnak a hőtermelésre, a LED-ek esetében ez nincs így, kifejlesztésüknek köszönhetően nagyon energiatakarékos világítótesteket lehetett létrehozni. A jelenlegi leggazdaságosabb LED-lámpa fényhasznosítása 300 lumen/watt, ehhez képest egy hagyományos izzóé 16 lm/W, egy fluoreszcens égőé pedig 70 lm/W. Míg az izzólámpák használata idején a Földön termelt elektromos energia negyede világításra fordítódott, a LED-eknek köszönhetően jelentősen lecsökkenhetett ez az arány. A LED-ek további nagy előnye, hogy rendkívül hosszú ideig működőképesek maradnak. Míg az izzólámpák átlagos üzemideje nagyjából 1000, fluoreszcens lámpáké 10 ezer óra, addig egy jó minőségű LED akár 100 ezer óráig is működőképes maradhat.
Bár technológia alapját jelentő fotoelektromos jelenséget már a 20. század elején ismerték, azonban hosszú évtizedek teltek el, mire a kutatók olyan mértékig megértették a félvezetőkben zajló folyamatokat, hogy felmerülhetett azok világításban történő hasznosítása. Az első világító diódákat az ötvenes években alkották meg. A vörös fény kibocsátó fényforrásokat digitális órákban, számológépekben és különféle állapotjelző lámpákban alkalmazták.
Már a fejlesztés korai szakaszában világossá vált, hogy ahhoz, hogy hasonló módszerrel fehér fényt állítsanak elő, rövid hullámhosszokon sugárzó, nagy energiájú fotonokkal operáló, kék fénnyel világító diódákra is szükség lesz. A probléma megoldásával sokan próbálkoztak, a siker azonban váratott magára. A japán díjazottak a szakterület más kutatóihoz hasonlóan anyagok és módszerek sokaságát próbálták végig, hogy számtalan sikertelen kísérlet után végre valami eredményre jussanak.
A kék LED fejlesztésére tett kísérlet során a kutatók hamar ráakadtak arra az anyagra, a gallium-nitridre, amely elméletben a legjobban használhatónak tűnt. Hosszú idő telt el azonban, mire az elméletben működő elveket a gyakorlatban is sikerült megvalósítani. A legnagyobb problémát az okozta, hogy hosszú ideig senki sem volt képes kellően magas minőségű gallium-nitrid kristályokat létrehozni, mivel nem találták meg a megfelelő hordozóréteget ezek növesztéséhez. További gondot jelentett, hogy az anyagba lehetetlennek tűnt úgynevezett p-típusú félvezető rétegeket létrehozni, amelyek pedig kulcsfontosságúak lettek volna a dióda működéséhez.
A három japán fejlesztő a nehézségek ellenére úgy gondolta, hogy a gallium-nitrid rejti a megoldás kulcsát, így továbbra is ezzel az anyaggal kísérleteztek, szemben sok más szakértővel, akik más matériák felé fordították figyelmüket. Akaszaki és Amano először 1986-ban növesztett sikerrel olyan kristályokat, amelyek már az elvárásoknak megfelelő minőségűek voltak. Hordozórétegként alumínium-nitridet és zafírt használtak.
A probléma másik fele, a megfelelő p-réteg megtalálása egy véletlen felfedezésnek köszönhetően válhatott valósággá. A kutatók észrevették, hogy félvezető anyagaik erősebbek világítanak, ha pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgálják ezeket. Ennek köszönhetően jöttek rá, hogy a p-réteg jobban működhet, ha elektronsugárral világítják meg. A kutatók a felfedezések eredményeként 1992-ben létrehozták az első olyan diódát, amely kék fénnyel világított.
A tőlük függetlenül tevékenykedő Nakamur a 1988-ban kezdett bele a kék LED fejlesztésébe, Két évbe telt, mire egy új módszerrelkellően magas minőségű gallium-nitridet tudott létrehozni. Ennek során először alacsony hőmérsékleten egy vékony réteget kreált az anyagból, majd erre magas hőmérsékleten építette fel a kristály további rétegeit. A szakértő arra is magyarázatot talált, hogy az elektronsugaras megvilágítás miért teszi hatékonyabbá a p-típusú réteget: a sugárnyaláb eltávolítja az anyagból a hidrogént, amely megakadályozza a p-réteg létrejöttét. Nakamura a folyamat megfejtését követően az elektronnyalábnál egyszerűbb megoldást dolgozott ki a probléma megoldására, és az anyag megfelelő hevítésével 1992-re működő p-típusú réteget hozott létre.
A kilencvenes évek folyamán a fejlesztők új ötvözetek használatával egyre hatékonyabbá tették új LED-jüket, illetve közös munkával létrehozták az első kék lézert is, amely később a korábbi optikai adathordozóknál jóval magasabb adatsűrűséget lehetővé tevő Blu-ray lemezek kifejlesztéséhez vezetett. A kék LED-ek felhasználásával időközben kifejlesztett fehér világítótestek pedig fokozatosan forradalmasították a világítás egészét.
A tudományos elismerésen túl nyolcmillió svéd koronával, azaz körülbelül 270 millió forinttal együtt járó díjat az alapító, Alfred Nobel halálának évfordulóján, december 10-én Stockholmban vehetik át a díjazottak.
Forrás: Internet
