Технологии и медиа , 07 окт 2014, 17:48

Революция света: за что дали Нобелевскую премию по физике

Нобелевская премия по физике досталась трем японским ученым – Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамуре (последний родился в Японии, но является гражданином США). Двадцать лет назад они создали диоды, излучающие синий свет, чем породили революцию в осветительных технологиях

Если в прошлом году Нобелевскую премию дали за фундаментальные теоретические исследования, в этом году Шведская академия наук отметила изобретение, имеющее вполне конкретный практический смысл. Синие светодиоды, введенные в коммерческую эксплуатацию японской компанией Nichia Chemicals в начале 1990-х годов, получили широкое распространение. Разработкой синих светодиодов в компании занимался Сюдзи Накамура – ныне профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. В свою очередь, Акасаки и Амано работали над своей версией синего светодиода в Нагойском университете Японии с 1980-х годов и к 1992 году смогли представить диод, излучающий яркий синий свет.

Первые светоизлучающие диоды (источники света, основанные на эффекте свечения полупроводников) были сконструированы еще в середине XX века. Они излучали свет в диапазоне от инфракрасного до зеленого, однако ученым никак не удавалось создать полупроводниковый источник синего света. Синий светодиод был принципиально важен: в комбинации с зелеными и красными светодиодами он позволял создать новый, эффективный и экологичный источник белого света.

Практический успех японского трио заключался в том, что они создали дешевый и качественный синий светодиод. В 60–70-х годах несколько лабораторий в США, Европе и Японии пытались разработать эффективный синий светодиод на основе кристаллов нитрида галлия (GaN), но технологии производства были слишком затратными. Одним из ведущих исследователей в этой области был выходец из Советского Союза Жак Панков, который в 1973 году признавал, что технология синего светодиода на нитриде галлия далека от воплощения.

Принцип работы светодиода и пример устройства синей светодиодной лампы

Как устроен светодиод (верхний рисунок). Светодиод состоит из нескольких слоев полупроводниковых материалов. Электрическое напряжение направляет электроны из так называемого n-слоя и дырки из p-слоя к активному слою, где они рекомбинируются и излучают свет. Длина световых волн определяется выбранным полупроводниковым материалом. Синяя светодиодная лампа.(нижний рисунок). Светодиод в такой лампе состоит из нескольких слоев нитрида галлия (GaN). Использование индия (In) и алюминия (Al) позволило лауреатам повысить эффективность светодиодной лампы.

(Фото: nobelprize.org)

Японские лауреаты тоже опирались на нитрид галлия, но до них никому не удавалось вырастить кристалл достаточно высокого качества. Акасаки и Амано использовали для этого слой нитрида алюминия на сапфировой подложке – кристалл GaN наращивался сверху. Накамура, работавший независимо от Акасаки и Амано, нашел свой оригинальный способ: он выращивал первый слой кристалла при «низкой» температуре (500 градусов Цельсия), а последующие слои – при более высокой температуре.

В своей работе лауреаты «шли против признанных истин и не боялись рисковать», сами конструировали оборудование и проводили тысячи экспериментов, отмечает Нобелевский комитет. Их изобретения привели к революции в осветительных технологиях: на базе светодиодов создаются все новые, более эффективные, долговечные и дешевые осветительные приборы. Без светодиодов невозможно представить и современную бытовую технику, и смартфоны. Лазер, основанный на крошечном синем светодиоде, используется в современных дисках Blu-ray с высокой плотностью записи данных. Кроме того, в будущем ультрафиолетовые светодиоды на нитриде галлия могут применяться для очистки воды от бактерий и вирусов.