Наука: Наука и техника: Lenta.

Фото: Toru Hanai / Reuters

Шведская королевская академия наук 7 октября 2014 года назвала новых лауреатов Нобелевской премии по физике. 10 декабря на праздничной церемонии в Стокгольме будут чествовать Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) за разработку принципиально новых экологически чистых источников света. Синие светодиоды почти в 5 раз эффективнее люминесцентных ламп и в 20 — обычных ламп накаливания.

Синие светодиоды и устройства на их основе выпускают такие промышленные гиганты, как General Electric, Philips, Osram и другие. Полупроводниковые лампы применяются крайне широко — от бытовой электроники и мобильных телефонов до медицинских приборов и высокочувствительных датчиков. Примерно четверть мировой электроэнергии расходуется на освещение, и светодиоды — одно из самых перспективных направлений использования электричества.

В начале 1960-х на основе фосфорида и арсенида галлия созданы первые промышленные образцы светодиодов, излучающие красный свет, а потом и зеленый. Уже тогда эти устройства были эффективнее обычных ламп накаливания. Применялись они в качестве разнообразных цветовых индикаторов. Однако получить дешевый и яркий синий светодиод долго не удавалось.

Энергетическая щель (запрещенная зона) — интервал энергий, в котором в идеальном кристалле, согласно квантовомеханической теории движения электронов в твердом теле, не могут находиться электроны. Такая щель отвечает интервалу между валентной зоной и зоной проводимости в кристалле.

Стандартный светоизлучающий диод содержит три слоя полупроводниковых материалов. Электрическое напряжение заставляет электроны от анода (n-слоя) и дырки от электрода (p-слоя) двигаться в промежуточный слой, где они рекомбинируют с излучением фотонов. Промежуточный слой представляет собой специальный кристалл с определенной шириной запрещенной зоны. Ширина этой зоны, а также примеси в кристалле определяют цвет излучения.

Сравнение эффективности источников света

Изображение: nobelprize.org

Главная трудность заключалась в поиске хорошего кристалла для промежуточного слоя. Чтобы он излучал синий свет, необходим материал с большой шириной запрещенной зоны. Это связано с тем, что энергия фотонов в синем диапазоне электромагнитного спектра почти в два раза больше, чем в красном.

Нужными для синих светодиодов свойствами обладают элементы II и IV групп таблицы Менделеева, а также нитриды элементов III группы, поэтому ученые начали свои эксперименты именно с них. Первые опыты показали, что у излучения светодиодов с кристаллами на карбиде кремния (SiC) низкий коэффициент полезного действия и невысокий квантовый выход — число фотонов, образовавшихся в результате рекомбинации пары электронов и дырок.

Устройства на основе селенида цинка (ZnSe) перегревались и поэтому служили недолго. В 1970-х физики пытались использовать нитриды в качестве материала для промежуточного слоя. О возможности получения эффективных светодиодов на такой основе еще в 1960-х годах сообщали ленинградские исследователи из лаборатории Жореса Алферова.

Устройство стандартного и синего светодиодов

Изображение: nobelprize. org

Однако только Жаку Панкову (Якову Панчечникову) из IBM (International Business Machines) удалось создать первый синий светодиод с кристаллом из нитрида галлия (GaN) на сапфировой подложке. Лампа с драгоценным камнем не встретила поддержки в американской компании.

Спустя почти 20 лет, в середине 1980-х годов, японские ученые Акасаки и Амано из Нагойского университета предложили использовать в светодиоде тот же нитрид галлия, но с примесью магния. Облучив новый материал потоком электронов, они заставили его светиться.

В 1989 году на открытие Акасаки и Амано обратил внимание сотрудник Nichia Corporation Накамура и усовершенствовал технику своих коллег. Ученому из частной компании удалось предложить удачный метод допирования промежуточного слоя. Материал подвергался специальной термообработке и получал примеси не только магния, но и цинка, а потом — и индия.

Nichia Corporation запатентовала технологию Накамуры (и его коллег). В 1993 году компания первой в мире наладила промышленный выпуск синих светодиодов и уже к концу 1990-х выпускала около 20 миллионов таких устройств в месяц. Изобретателю корпорация заплатила меньше 200 долларов, и в 1999 году Накамура подал на нее в суд, выиграв после пяти лет разбирательств 20 миллиардов иен (около 200 миллионов долларов по курсу 2004-го).

Тяжба с Nichia Corporation побудила ученого уволиться из компании и переехать в США. Там он устроился на работу в Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, а также научным консультантом в частную Cree Inc., занимающуюся с 1987 года исследованиями и производством светодиодов.

Материалы по теме:

Как отметил в беседе с «Лентой.ру» генеральный директор Российского квантового центра Руслан Юнусов, проблема создания светодиодов, излучающих синий свет, носила в значительной степени технологический характер. «На тот момент уже был запрос от индустрии — им требовался синий светодиод. Все это понимали. И с нитридом галлия многие бились, но именно японские коллеги решили эту проблему. Они подобрали легирующие элементы, научились растить эту структуру на сапфире, использовали нужную кристаллическую решетку, чтобы добиться требуемого уширения зоны и таким образом увеличить энергию и получить синий цвет», — сообщил эксперт.

«Имея синий светодиод, с помощью люминофоров можно получить менее энергетические зеленый и красный. Во первых, это дешевле, а во-вторых, красный, зеленый и синий диоды во времени деградируют по-разному и цвет лампы менялся бы. Все это, с одной стороны, снимает проблему цвета, а с другой — удешевляет технологию. Это такое универсальное решение», — продолжает он.

«Светодиодные лампы очень скоро все победят. В ближайшие три года эта технология раскроется еще больше», — заключил специалист.

История белых светодиодов | Hackaday

По сравнению с лампами накаливания светодиоды производят намного больше люменов на ватт входной мощности — они более эффективны при производстве света. Конечно, это означает, что лампы накаливания более эффективно производят тепло, и по мере того, как дни становятся короче, а ночи холоднее, где-то у того, кто перешел на светодиодное освещение, есть печь, которая работает сверхурочно. И что кто-то может также задаться вопросом, как мы сюда попали: мир, освещенный эзотерическими неорганическими полупроводниками, освещающими люминофоры.

Тот факт, что диоды излучают свет при определенных условиях, известен уже более 100 лет; первый светоизлучающий диод был обнаружен в лабораториях Маркони в 1907 году в детекторе кошачьих усов, первом виде диода. Это открытие было просто научным любопытством, пока другое открытие, сделанное Texas Instruments, не выявило излучение инфракрасного света туннельным диодом, изготовленным из подложки из арсенида галлия. Затем этот инфракрасный светодиод был запатентован TI, и начался проект по производству этих инфракрасных светоизлучающих диодов.

Но инфракрасный свет невидим для человеческого глаза и бесполезен для какой-либо индикации или освещения. Первый светодиод видимого спектра был построен в General Electric в 1962 году, а первые коммерчески доступные (красные) светодиоды были произведены компанией Monsanto в 1968 году. В том же году HP начала производство светодиодов с использованием того же фосфата арсенида галлия, что и Monsanto. Эти светодиоды HP нашли свое применение в очень крошечных семисегментных светодиодных дисплеях, используемых в калькуляторах HP 1970-х годов.

Из инфракрасных светодиодов начала 1960-х до красных светодиодов конца 1960-х, в 1970-х появились оранжево-красные, оранжевые, желтые и, наконец, зеленые светодиоды. В этих разработках есть тенденция, и она связана с электронными промежутками. Чтобы диод генерировал свет, вы должны сначала передать энергию электрону. Эта энергия заставляет электрон перескакивать из своего естественного состояния в валентной зоне в зону проводимости. Этой энергии недостаточно, чтобы удержать электрон в зоне проводимости, поэтому он в конце концов упадет обратно в дыру, которую оставил в валентной зоне. При этом он снова высвобождает энергию в виде фотона.

Чем больше энергии требуется для перемещения электрона в зону проводимости, тем больше энергии высвобождается в виде фотона в виде света более высокой частоты. Причина, по которой инфракрасные светодиоды появились раньше красных светодиодов, а зеленые светодиоды появились позже, заключается в том, что просто сложнее преодолеть эти запрещенные зоны и найти светодиодную подложку, которая будет излучать более высокие частоты света.

Инфракрасные, красные и даже зеленые светодиоды были «простыми», но синие светодиоды требуют гораздо большей ширины запрещенной зоны и, следовательно, требуют более экзотических материалов. Загадка создания синего светодиода высокой яркости впервые была решена в 1994 в корпорации Nichia с использованием нитрида индия-галлия. В то же время Исаму Акасаки и Хироши Амано из Университета Нагоя разработали подложку из нитрида галлия для светодиодов, за которую они получили Нобелевскую премию по физике 2014 года. С красными, зелеными и синими светодиодами единственное, что останавливало кого-либо от создания белого светодиода, заключалось в том, чтобы поместить все эти цвета в один корпус.

Красные, зеленые, но в основном синие светодиоды

Первые белые светодиоды не были явно белыми светодиодами. Вместо этого красные, зеленые и синие светодиоды были упакованы в один светодиодный корпус. Однако, если вы смешаете красный, зеленый и синий свет, вы получите белый свет, на самом деле это просто вопрос получения правильных пропорций фотонов разного цвета.

Это остается стандартом для RGB-светодиодов, и некоторые даже экспериментировали с улучшением цветового диапазона, который могут воспроизвести эти светодиоды. Человеческий глаз чрезвычайно чувствителен к зеленым частотам света, и, добавив в корпус четвертый светодиод — его лучше всего назвать «изумрудным» или чуть более голубым оттенком зеленого, чем тот, к которому мы привыкли в зеленых светодиодах, — вы можете светодиод с более широким цветовым диапазоном или, если хотите, более белым.

Это был первый метод создания белого светодиода, и хотя светодиодные лампочки, которые вы покупаете в строительном магазине, не имеют внутри отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, это по-прежнему фантастически популярный способ создания большего количества светодиодов. цвета со светодиодами. Эти неопиксели, WS2812 или APA101 имеют красные, зеленые и синие светодиоды, спрятанные внутри одного корпуса. Некоторые из более продвинутых светодиодов RGB с индивидуальной адресацией даже добавляют четвертый светодиод для белого цвета. Но как изготавливаются эти отдельные белые светодиоды?

Первые белые светодиоды, изготовленные без трех отдельных светодиодов, были созданы с помощью магии люминофоров. Люминофоры — это хорошо изученная наука, чаще всего встречающаяся в осветительных приборах в люминесцентных лампах. Люминесцентные лампы не излучают белый свет сами по себе, они излучают ультрафиолетовый свет, возбуждая пары ртути. Однако, покрыв внутреннюю часть люминесцентной лампы порошком, этот ультрафиолетовый свет можно преобразовать в красный, зеленый и синий свет. В результате получается люминесцентная лампа, которая освещает ваш гараж или мастерскую.

Это можно сделать и со светодиодами. С ультрафиолетовым или фиолетовым светодиодом, упакованным в корпус с люминофорным покрытием, вы можете сделать белый светодиод. Это известно как белый светодиод с полным преобразованием.

Изображение [deglr6328], из Википедии. Однако светодиоды с полным преобразованием неэффективны, поэтому к середине 90-х началась гонка по созданию светодиодов с частичным преобразованием. Этот тип светодиода будет освещать люминофор синим светом, а люминофор будет преобразовывать часть этого синего света в нечто желтоватое, содержащее смесь красных и зеленых длин волн. Добавление в смесь большего количества красных люминофоров создает «тепло-белые» светодиоды.

В 1996 году компания Nichia объявила о выпуске белых светодиодов, а остальное уже история. За последние двадцать лет мощность, эффективность и яркость этих светодиодов увеличились. Сейчас или в самом ближайшем будущем по умолчанию для домашнего освещения будут использоваться не лампы накаливания, а мощные светодиоды, потребляющие лишь небольшую часть энергии, которую потребляла бы старая лампочка Эдисона, перекладывая большую часть задачи по поддержанию тепла в вашем доме на обогреватель. .

Изобретение синих светодиодов получило Нобелевскую премию по физике

• Опубликовано

  7 октября 2014 г.

Источник изображения, SPL

от Jonathan Webb

Science Reporter, BBC News

. Японии и США за изобретение диодов, излучающих синий свет (СИД).

Профессора Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура изготовили первые синие светодиоды в начале 1990-х годов.

Это позволило создать новое поколение ярких энергосберегающих белых ламп, а также цветных светодиодных экранов.

Победители разделят призовой фонд в восемь миллионов крон (0,7 миллиона фунтов стерлингов).

Они были названы на пресс-конференции в Швеции и входят в престижный список из 196 других лауреатов по физике, признанных с 1901 года.

Воспроизведение этого видео невозможно.

Стаффан Нормарк, Шведская королевская академия наук, объявляет о присуждении премии по физике

Профессор Накамура, который проснулся в Японии, чтобы узнать новости, сказал на пресс-конференции: «Это невероятно».

Делая объявление, Нобелевское жюри подчеркнуло полезность изобретения, добавив, что Нобелевские премии были учреждены для признания разработок, которые принесли «наибольшую пользу человечеству».

«Это то, что сделало бы Альфреда Нобеля очень счастливым», — сказал профессор Олле Инганас, член комитета по присуждению премии из Линчёпингского университета.

Председатель комитета, профессор Пер Делсинг из Технологического университета Чалмерса в Гётеборге, подчеркнул самоотверженность победителей.

«Удивительно, что многие крупные компании действительно пытались сделать это, но потерпели неудачу», — сказал он. «Но эти ребята упорствовали и пытались снова и снова — и в конце концов им это действительно удалось».

Источник изображения, Другое

Профессора Акасаки, Амано и Накамура изготовили первые синие светодиоды в начале 1990-х годов

Хотя красные и зеленые светодиоды существовали уже много лет, синие светодиоды долгое время были проблемой для ученых как в научных кругах, так и в промышленности.

Без них невозможно было бы смешать три цвета, чтобы получить белый свет, который мы сейчас видим на светодиодных экранах компьютеров и телевизоров. Кроме того, высокоэнергетический синий свет можно использовать для возбуждения фосфора и непосредственного производства белого света — основы лампочки следующего поколения.

Сегодня синие светодиоды можно найти в карманах людей по всему миру, внутри фонарей и экранов смартфонов.

Белые светодиодные лампы освещают многие офисы и дома. Они потребляют гораздо меньше энергии, чем лампы накаливания и люминесцентные лампы.

Это улучшение связано с тем, что светодиоды преобразуют электричество непосредственно в фотоны света, а не в расточительную смесь тепла и света, генерируемую в традиционных лампах накаливания. Эти лампы используют ток для нагрева нити накала до тех пор, пока она не загорится, в то время как газовый разряд внутри люминесцентных ламп также производит тепло и свет.

Внутри светодиода ток подается на сэндвич из полупроводниковых материалов, которые излучают свет с определенной длиной волны в зависимости от химического состава этих материалов.

Нитрид галлия был ключевым ингредиентом, который нобелевские лауреаты использовали в своих новаторских синих светодиодах. Выращивание достаточно больших кристаллов этого соединения было камнем преткновения, который остановил многих других исследователей, но профессорам Акасаки и Амано, работающим в Университете Нагоя в Японии, удалось вырастить их в 1986 году на специально разработанном каркасе, частично сделанном из сапфира.

Четыре года спустя профессор Накамура сделал аналогичный прорыв, когда работал в химической компании Nichia. Вместо специальной подложки он использовал хитрое регулирование температуры, чтобы ускорить рост важнейших кристаллов.

Предыдущие лауреаты Нобелевской премии по физике

Источник изображения, Reuters

Энглерт (слева) и Хиггс были удостоены премии за теорию, объясняющую, почему частицы имеют массу

2013 — Франсуа Энглер и Питер Хиггс разделил приз за формулировку теории частицы бозона Хиггса.

2012 — Серж Арош и Дэвид Дж. Вайнлэнд были награждены премией за работу со светом и материей.

2011 — Открытие ускоренного расширения Вселенной принесло Солу Перлмуттеру, Брайану П. Шмидту и Адаму Риссу премию по физике.

2010 — Андрей Гейм и Константин Новоселов награждены премией за открытие «чудо-материала» графена.

2009 — Чарльз Куен Као получил Нобелевскую премию по физике за помощь в разработке волоконно-оптических кабелей.

В своей цитате Нобелевский комитет заявил: «Лампы накаливания освещали 20-й век; 21-й век будет освещен светодиодными лампами».

Комментируя эту новость, президент Института физики доктор Фрэнсис Сондерс подчеркнула, что энергосберегающие лампы являются важной частью усилий по снижению выбросов углекислого газа во всем мире.

«Учитывая, что 20% электроэнергии в мире используется для освещения, было подсчитано, что оптимальное использование светодиодного освещения может снизить этот показатель до 4%», — сказала она.

«Исследования Акасаки, Амано и Накамуры сделали это возможным. Это исследование физики оказывает непосредственное влияние на самые большие масштабы, помогает защитить нашу окружающую среду, а также появляется в наших повседневных электронных гаджетах.»

Светодиодные лампы могут помочь более чем 1,5 миллиардам людей во всем мире, не имеющим доступа к электрическим сетям, поскольку они достаточно эффективны, чтобы работать на дешевой местной солнечной энергии.

В Кембриджском университете в Великобритании профессор сэр Колин Хамфрис также работает над технологией нитрида галлия, включая попытки удешевить производство кристаллов и снизить стоимость светодиодных ламп. Он сказал BBC News, что был взволнован объявлением Нобелевской премии.

«Это меня очень радует, потому что это хорошая наука, но это также и полезная наука.