Zašto je bilo gotovo nemoguće napraviti plavu LED sijalicu: Ova borba je trajala tri decenije

Kada je Šuži Nakamura 1993. godine uspeo da kreira prvu efikasnu plavu LED sijalicu, to nije bila obična tehnološka inovacija – bio je to kraj trideset godina naučne frustracije. Dok su crvene i zelene LED sijalice već bile komercijalno dostupne od kraja 1960-ih, plava LED je predstavljala gotovo nepremostiv izazov koji je naterao mnoge kompanije da potpuno odustanu od istraživanja.

Problem sa plavom LED sijalicom nije bio samo tehnički – bio je fundamentalno fizički. Dok su crvene LED sijalice radile na principu galijum arsenida (GaAs) sa energetskim jazom od 1,42 eV, plava svetlost je zahtevala materijale sa značajno širim energetskim jazom od najmanje 3,4 eV. Ova razlika u energiji nije bila mala prepreka koju je moguće elegantno zaobići – predstavljala je potpuno drugačiji pristup materijalnoj nauci.

Preporučujemo

Energetski jaz određuje boju svetlosti koju LED emituje. Kada se elektron spusti iz provodnog u valentni opseg, oslobađa energiju u vidu fotona. Što je veći energetski jaz, to je kraća talasna dužina svetlosti – i plava svetlost sa talasnom dužinom oko 450 nanometara zahteva daleko više energije od crvene koja ima oko 650 nanometara.

Istraživači su znali da je galijum nitrid (GaN) teoretski pravi materijal za plavu LED, ali rad sa njim je bio prilično kao pokušaj ukroćavanja divlje bestije. GaN ima ekstremno visoku temperaturu topljenja od 2.791 Kelvina i pritisak dekompozicije od 4,5 gigapaskala. Da bi se stavio u perspektivu – to je temperatura veća od površine Sunca i pritisak 45.000 puta veći od atmosferskog pritiska na Zemlji.

Foto: Shutterstock.com

Galijum nitrid: materijal koji je prkosio nauci

Prva dokumentovana sinteza galijum nitrida desila se još 1938. godine zahvaljujući Robertu Juzi i Hariju Hanu, ali to je bio tek početak dugog puta. Rast visokokvalitetnih kristala GaN-a je predstavljao prvi veliki izazov. Za razliku od silicijuma ili galijum arsenida koji se mogu gajiti standardnim Čohralski ili Bridžman tehnikama, GaN je zahtevao potpuno nove pristupe.

Problem je bio što se GaN može uzgajati samo heteroepitaksijalno – na stranim supstratima poput safira ili silicijum karbida. Ova nesaglasnost u kristalnoj strukturi dovodi do ogromne gustine dislokacija – do 10 milijardi defekata po kvadratnom centimetru. U poredenju, savremeni silicijumski wafer-i imaju manje od milijun defekata po kvadratnom centimetru.

Drugi veliki problem bio je kreiranje p-tipa GaN-a. Dok se n-tip može relativno lako postići dodavanjem silicijuma ili kiseonika, p-tip zahteva magnezijum kao dopant. Ali tu se krije zamka – vodonik koji nastaje tokom rasta kristala se vezuje za magnezijum i neutrališe ga, čineći materijal neprovodnim.

Jahzera godinama su istraživači pokušavali da reše ovaj problem. Radio Corporation of America (RCA) je uložila značajne resurse u 1960-im godinama, ali nije uspela da napravi komercijalnu GaN LED. Mnoge velike kompanije su odustale smatrajući da je problem nerešiv.

Foto: Shutterstock.com

Tri čoveka koji su promenili sve

Presek je stigao zahvaljujući upornosti tri japanska naučnika: Isamu Akasakija, Hiroša Amana i Šužija Nakamure. Akasaki i Amano su na Univerzitetu u Nagoji otkrili da elektronsko bombardovanje može aktivirati magnezijum u GaN-u uklanjanjem vodonika. Ovo otkriće je bilo slučajno – primetili su da se materijal poboljšava kad ga slikaju elektronskim mikroskopom.

Nakamura, koji je radio u kompaniji Nichia, je usavršio ovaj proces razvijanjem termičkog tretmana koji je bio pogodniji za masovnu proizvodnju. Umesto elektronskog bombardovanja, koristio je kontrolisano zagrevanje da ukloni vodonik iz p-sloja.

Treći ključni korak bilo je poboljšanje efikasnosti emisije svetlosti. Nakamura je razvio kvantne jame od indijum galijum nitrida (InGaN) koje su "zatvarale" elektrone i šupljine u mali volumen, daleko od defekata koji bi mogli da apsorbiraju energiju umesto da je emituju kao svetlost.

Najupadljivije je bilo što su ove InGaN kvantne jame radile uprkos ogromnoj gustini dislokacija. U normalnim okolnostima, takva količina defekata bi trebalo potpuno da uništi emisiju svetlosti. Ali indijum u InGaN-u pravi lokalizovana energetska stanja koja zarobljave nosilaoce naelektrisanja pre nego što stignu do defekata.

Nakamura je uspeo da postigne LED koja je bila 100 puta svetlija od postojećih plavih LED-a tog vremena. Ova brzina poboljšanja je bila neverovatna – obično je potrebno decenija da se postigne tako značajan napredak u poluprovodničkoj tehnologiji.

Posledice koje su promenile svet

Uspeh plave LED sijalice nije bio samo tehnička pobeda – omogućio je kompletnu digitalnu revoluciju. Kombinujući plavu LED sa postojećim crvenim i zelenim, postalo je moguće kreirati belu LED svetlost, kao i prikaze u punoj boji.

Foto: Shutterstock.com

Bele LED sijalice troše samo 5% energije običnih žarulja sa žarnom niti i traju 50 puta duže. Prema procenama, prelazak na LED osvetljenje može smanjiti globalnu potrošnju električne energije za osvetljenje za 29% do 2025. godine.

Plava LED je takođe omogućila razvoj plavog lasera, što je dovelo do Blu-ray tehnologije sa pet do deset puta većim kapacitetom skladištenja podataka. Svaki put kada gledate 4K film ili igrate video igru sa visokom rezolucijom, koristite tehnologiju koja je nastala iz tridesetogodišnje borbe sa galijum nitridom.

Za svoje dostignuće, Akasaki, Amano i Nakamura su 2014. godine dobili Nobelovu nagradu za fiziku. Ovo je bila prva Nobelova nagrada za fiziku koja je data za otkriće u oblasti osvetljenja u čvrstom stanju.

Danas plava LED tehnologija dominira globalnim tržištem osvetljenja vrećim više od 100 milijardi dolara godišnje. Ono što je nekad delovalo kao nepremostiva fizička prepreka, postalo je temelj moderne digitalne infrastrukture.

Priča o plavoj LED sijalici najbolje ilustruje kako wissenschaftlich upornost može pobediti i najozbiljnije tehnološke izazove. Potrebno je bilo trideset godina, stotine istraživača i nebrojeno mnogo neuspešnih eksperimenata, ali na kraju je ljudska upornost trijumfovala nad fizičkim ograničenjima.

(Telegraf.rs)