Nagroda Nobla za diody LED: jak małe źródła światła zmieniły świat
Czym są diody LED i jak działają?
Diody LED (Light Emitting Diodes) to półprzewodnikowe źródła światła, które emitują promieniowanie (zwykle widzialne) w wyniku przepływu prądu elektrycznego. W uproszczeniu: elektron zyskuje energię, przeskakuje na wyższy poziom energetyczny (pasmo przewodnictwa) w strukturze półprzewodnika, a potem wraca do stanu podstawowego (pasmo walencyjne), emitując foton - czyli światło.
W odróżnieniu od tradycyjnych żarówek LED-y są znacznie bardziej energooszczędne i mają dłuższą żywotność. Emitują też znacznie mniej ciepła. Kolor światła emitowanego przez LED zależy od szerokości przerwy energetycznej (różnicy w energii między poziomami) materiału półprzewodnikowego, z którego została wykonana dioda.
Do budowy diody stosuje się m.in. arsenek galu (GaAs), fosforek galu (GaP), azotek galu (GaN) oraz jego mieszaniny, np. azotek indowo-galowy (InGaN). Dodatkowo można ją pokryć luminoforem, który jest w stanie zmienić jej kolor. Dzięki temu można produkować diody o większej intensywności, czystości czy neutralności. Przykładowo można pokryć nim niebieską diodę, by utworzyć białą.
Dlaczego pracowano nad diodami LED?
Już w latach 60. XX wieku dostępne były czerwone (R) i zielone (G) diody LED. Jednak przez dekady nie udawało się opracować wydajnego i trwałego źródła światła niebieskiego. Było to poważne ograniczenie - bez niebieskiej (B) składowej nie da się stworzyć światła białego przez mieszanie kolorów (RGB). Tymczasem biały LED to warunek do zastosowania diod w ogólnym oświetleniu.
Problemem był brak odpowiedniego materiału półprzewodnikowego o dużej przerwie energetycznej, który umożliwiałby emisję fotonów o energii odpowiadającej niebieskiemu światłu (około 2.6–3.3 eV). Przełom nastąpił, gdy Shuji Nakamura wraz z Isamu Akasakim i Hiroshim Amano skoncentrowali się na zastosowaniu azotku galu (GaN). Opracowali oni technologię wzrostu wysokiej jakości kryształów GaN oraz konstrukcję heterozłącz i studni kwantowych opartych na InGaN, co umożliwiło emisję intensywnego niebieskiego światła. Udało się to dopiero w latach 90. XX wieku, czyli po 30 latach.
Dlaczego to osiągnięcie było warte Nagrody Nobla?
W 2014 roku Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki "za wynalezienie wydajnych niebieskich diod LED, które umożliwiły stworzenie jasnych i energooszczędnych źródeł białego światła".
Ich praca doprowadziła do rewolucji w oświetleniu. Tradycyjna żarówka przekształca większość dostarczonej energii w ciepło - LED robi to odwrotnie: przekształca większość w światło. LED-y pozostają chłodne nawet po wielu godzinach pracy i mają żywotność liczonych w dziesiątkach tysięcy godzin.
Niebieska dioda była brakującym elementem układanki. Po jej opracowaniu możliwe stało się tworzenie białego światła zarówno przez mieszanie barw RGB, jak i poprzez powlekanie niebieskiej diody luminoforem, który przekształca część światła w żółty komponent - w efekcie powstaje światło postrzegane jako białe.
Dzięki temu możliwe stało się stworzenie energooszczędnych źródeł światła dla domów, ulic, samochodów, a także ekranów w smartfonach, telewizorach i laptopach. LED-y wykorzystywane są dziś również w medycynie, rolnictwie, sygnalizacji świetlnej i wielu innych dziedzinach.
Źródła
Nobel Prize in Physics 2014
How Light Emitting Diodes (LEDs) Work
LUMINOFOR – ŚWIATŁO BIAŁE, ŻÓŁTE, CZERWONE I ZIELONE