Nobelova nagrada za fiziko 2014

Švedska kraljeva akademija znanosti je razglasila prejemnike letošnje Nobelove nagrade za fiziko. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano in Shuji Nakamuro prejmejo nagrado za odkritje učinkovitih modrih LED-diod, ki omogočajo svetle in varčne vire bele svetlobe.

Diode, ki oddajajo svetlobo, niso nov izum, a so šele v zadnjem desetletju spremenile način osvetljave prostorov in omogočile velikanske prihranke pri porabi energije. Že v 50. in 60. letih prejšnjega stoletja so odkrili, da lahko diode oddajajo vidno svetlobo. Prva patentirana dioda iz leta 1962 je oddajala infrardečo svetlobo, kmalu pa so izdelali diode, ki so svetile rdeče in zeleno. Zaradi nizke porabe energije je bil tudi omejen barvni spekter dovolj za nišne uporabe, medtem ko je bilo treba za osvetljevanje prostorov, kjer so mogoči pravi prihranki, izumiti diodo, ki sveti modro. Na problemu je vrsta raziskovalcev delala dolga tri desetletja in v začetku 90. let je nagrajeni trojki uspelo. Z uporabo modre, zelene in rdeče LED-diode pa je mogoče pripraviti belo svetlobo, ki je zelo podobna Sončevemu spektru.

Diode so večnamenski elektronski element, ki ga v principu sestavljata dve polprevodniški plasti. Vsako plast dopiramo s svojo primesjo, ki na eni strani povzroči presežek elektronov in s tem negativnega naboja (n-plast), na drugi strani pa presežek vrzeli in pozitivnega naboja (p-plast). Na stiku se plasti delno nevtralizirata. Če na diodo pritisnemo električno napetost v primerni smeri (anodo na pozitivno napetost, katodo na negativno), tok skozi diodo steče. V primeru LED se pri rekombinaciji elektronov in vrzeli sproščajo fotoni. Generacija svetlobe z diodami je zelo učinkovita, ker se praktično vsa električna energija porabi za svetlobo. Dosegajo svetilnosti 300 lm/W in 50-odstotno učinkovito izrabo energije, medtem ko so fluorescentne sijalke štirikrat manj učinkovite, tipične žarnice z žarilno nitko pa skoraj dvajsetkrat. To je pomembno, ker se trenutno približno četrtina vse električne energije na svetu porabi prav za razsvetljavo.

Frekvenca svetlobe, ki jo oddaja LED-dioda, je odvisna od materiala v np-spoju. Za modro svetlobo je bil ključen galijev nitrid, ki so ga prejemniki nagrade uspeli vzgojiti v dovolj visoki čistoči in pravilni kristalni rešetki, da je bil uporaben kot diodni material. Pred njimi so to desetletja poskušali številni raziskovalni in industrijski (recimo Philipsov) laboratoriji, a jim ni uspelo, zato so se preusmerili na druge materiale. A preizkusi so kazali, da je prav galijev nitrid najprimernejši, le vzgojiti ga bo nekako treba. Akasaki in Amano sta ga vzgojila tako, da sta na safirjev kristal nanesla plast aluminijevega nitrida (30 nm) pri 500 °C in na njem kristalizirala galijev nitrid pri 1000 °C. Nakamura se je problema lotil drugače, in sicer tako, da je začel kristal gojiti pri nizki temperaturi in jo počasi povečeval.

Velik problem je bilo tudi p-dopiranje galijevega nitrida. Amano in Asaki sta pri preiskavah s cinkom dopiranega vzorca z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) ugotovila, da se emisija svetlobe pod mikroskopom izboljša. Tudi obsevanje z magnezijem dopiranega vzorca je pokazalo izboljšanje emisij. Šele nekaj let pozneje je Nakamura pojasnil, da je skrivnost v vodiku. Magnezij in cink se kompleksirata z vodikom in postaneta inertna, obsevanje pa ju spet aktivira, kar izboljša p-sloj v materialu. Prve delujoče modre LED-diode smo tako dobili leta 1992. Akasaki in Amano sta izumila tudi moder laser, ki nam je med drugim prinesel blu-ray pogone.

Danes so LED-diode varčnejše in vzdržljivejše (življenjska doba 100.000 ur) od ostalih virov svetlobe. Belo svetlobo lahko ustvarimo tako, da uporabljamo tri barvne LED-diode (rdečo, zeleno in modro) ali pa da s svetlobo modrih diod obsevamo fosfor, ki sveti tudi v rdečem in zelenem delu spektra. Galij-nitridne diode so danes uporabne za osvetlitev zaslonov iz tekočih kristalov, prostorov, v DVD-jih in blu-rayjih ter tudi v bolj eksotičnih aplikacijah, kot je na primer sterilizacija z UV-svetlobo iz močnih diod.