Dok su crvene i zelene LED sijalice već bile komercijalno dostupne od kraja 1960-ih, plava LED je predstavljala gotovo nepremostiv izazov koji je natjerao 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 svjetlost je zahtjevala 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.
Energetski jaz određuje boju svjetlosti 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 svjetlosti – i plava svetlost sa talasnom dužinom oko 450 nanometara zahtjeva 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.
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 zahtjevao 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 poređenju, 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 zahtjeva 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 riješe ovaj problem. Radio Corporation of America (RCA) je uložila značajne resurse u 1960-im godinama, ali nije uspjela da napravi komercijalnu GaN LED. Mnoge velike kompanije su odustale smatrajući da je problem neriješiv.
Tri čovjeka koji su promijenili sve
Presjek 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 – primjetili 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. Umjesto elektronskog bombardovanja, koristio je kontrolisano zagrijavanje 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 umjesto 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 svjetlosti. Ali indijum u InGaN-u pravi lokalizovana energetska stanja koja zarobljave nosilaoce naelektrisanja prije nego što stignu do defekata.
Nakamura je uspio da postigne LED koja je bila 100 puta svetlija od postojećih plavih LED-a tog vremena. Ova brzina poboljšanja je bila nevjerovatna – obično je potrebno decenija da se postigne tako značajan napredak u poluprovodničkoj tehnologiji.
Posljedice koje su promijenile svijet
Uspjeh plave LED sijalice nije bio samo tehnička pobjeda – omogućio je kompletnu digitalnu revoluciju. Kombinujući plavu LED sa postojećim crvenim i zelenim, postalo je moguće kreirati belu LED svjetlost, kao i prikaze u punoj boji.
Bijele LED sijalice troše samo 5 odsto energije običnih žarulja sa žarnom niti i traju 50 puta duže. Prema procenama, prelazak na LED osvetljenje može smanjiti globalnu potrošnju električne energije za osvjetljenje za 29% do 2025. godine, piše Telegraf.
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 osvjetljenja u čvrstom stanju.
Danas plava LED tehnologija dominira globalnim tržištem osvjetljenja 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 pobijediti i najozbiljnije tehnološke izazove. Potrebno je bilo trideset godina, stotine istraživača i nebrojeno mnogo neuspješnih eksperimenata, ali na kraju je ljudska upornost trijumfovala nad fizičkim ograničenjima.
Najnovije vijesti Srpskainfo i na Viberu