Anonim

2014 Nobelprisen i fysikk tildelt oppfinnere av blå lysdioder

Bemerkelsesverdige personer

David Szondy

8. oktober 2014

4 bilder

Nobelprisen i fysikk i 2014 har blitt tildelt oppfinnene til den blå lysdioden, som er nøkkelen til moderne energieffektiv belysning (Foto: Shutterstock)

Thomas Edison kan ha oppfunnet lyspæren, men han mottok aldri Nobelprisen for den. Isamu Akasaki og Hiroshi Amano ved University of Nagoya, og Shuji Nakamura som jobber hos Nichia Chemicals i Tokushima, Japan, har vist seg å lykkes med å bli tildelt Nobelprisen i fysikk i 2014 for deres oppfinnelse av den blå LED som er nøkkelen til moderne energi -effektiv belysning.

Den blå lysdioden (LED) er grunnlaget for moderne energisparende, miljøvennlige lyspærer, samt en rekke banebrytende applikasjoner. Den blå LED-lampen er oppfunnet i sin praktiske form for bare 20 år siden, den lange etterspurte "manglende lenken" av belysningsteknologi som gjorde LED-lamper mulig, men utvunnet forskere og ingeniører i 30 år.

For det meste av menneskehetens historie var belysning en variasjon på en opplyst rag fast i en bolle med olje, men det endret seg i 1879 da glødelampen Swann-Edison ble oppfunnet. Dette ble etterfulgt av det første fluorescerende lyset oppfunnet av P. Cooper Hewitt i 1900. Men til bare nylig har lysteknologien vært en ineffektiv, energibesparende prosess.

Vi tenker på LED som en moderne teknologi, men det første solid state-lyset ble bygget i 1907 av Henry J Round, og senere ble det gjort arbeid på 1920-tallet og 30-tallet i Sovjetunionen, men mangel på teoretisk forståelse av fenomenet hindret noen fremgang, og det forblir et laboratorium nysgjerrighet.

I motsetning til andre lyskilder produserer en LED direkte lys istedet for å generere det, som har et biprodukt av oppvarmede filamenter eller ioniserende gass; gjør det til et ekte "kaldt" lys. Den består av lag av halvledende materialer og i sin mest grunnleggende form består den av et n-lag, som har et overskudd av elektroner, og et p-lag som mangler elektroner - eller kan sies å ha et overskudd av positive hull. Mellom lagene er et aktivt lag. Når en strøm går gjennom dette, kombinerer elektronene og hullene, avbryter hverandre ut og genererer lys. Lysets bølgelengde, og dermed dens farge, er basert på materialene som brukes.

Takket være oppfinnelsen av transistoren og en større forståelse av halvlederteorien ble røde lysdioder oppfunnet på 1950-tallet, og fant snart applikasjoner som indikatorlys og som kalkulator og digitale klokkevisning. Ved slutten av 1960-tallet ble grønne, infrarøde og laserlampe oppfunnet, og lysdioder ble sett på som fremtiden for hjemmebelysning med populære magasiner som forutsi boliger opplyst av LED-paneler innen 1980.

Men det løftet ble forsinket fordi, mens røde og grønne lysdioder var vanlige i 1970, måtte den blå LED-en for å skape et lyst, rent, hvitt lys vise seg mye vanskeligere å produsere. Den blå LED-lampen var nødvendig for å lage hvitt lys enten ved å arbeide i kombinasjon med røde og grønne lysdioder, eller ved å skinne gjennom en fosfor som skaper rødt og grønt lys. Det var imidlertid et klassisk tilfelle av "første fangst på kaninen" som krevde en lang rekke gjennombrudd i grunnmaterialefysikk og krystallproduksjon.

Til tross for arbeidet siden slutten av 1950-tallet, var det å finne det riktige materialet for å skape den ettertraktede LED-lampen. Enten var materialet teoretisk riktig, men kunne vokse så lite mer enn støvpartikler, eller kunne bli dannet i krystaller, men var ikke opp til jobben.

Akasaki, Amano og Nakamur, jobbet med sine to separate anstrengelser i mange år på problemet - ofte bygge eget utstyr. Nøkkelen var galliumnitrid, som teoretisk kunne brukes til å lage en blå LED, men som i praksis viste seg å være svært samarbeidsvillig. Metallkrystallene behøvde å være av ekstremt høy kvalitet, og legeringen var svært utsatt for forgiftning av hydrogen, så det var ikke lett å lage p-lag av tilstrekkelig renhet, og bruken av elektronstråler gjorde dioder vanskelig og dyrt.

I 1986 produserte Akasaki og Amano en galliumnitridkrystall på et lag av aluminiumnitrid på safir-substrat, og noen få år senere klarte å lage et p-lag. I 1992 bygde de sitt første LED-lys. I mellomtiden skapte Nakamura sitt eget lys to år senere ved hjelp av en mer effektiv oppvarmingsprosess som kjørte av hydrogen så effektivt som en elektronstråle. Dette ble etterfulgt av forbedringer av begge lag da de utforsket nye galliumnitridlegeringer ved bruk av aluminium eller indium, samt mer komplekse diode-konstruksjoner.

Virkningen av denne oppfinnelsen vil være vanskelig å overvurdere. LED-lamper gir ut lys på opptil 300 lumen per watt (lm / W) sammenlignet med 16 lm / W for konvensjonelle glødelamper og 70 lm / W for fluorescenter. Bortsett fra innenlandsk og kommersiell belysning, blir de brukt i billykter, baklys, julelys, kamerablits og lommelykter. I tillegg har teknologien muliggjort utviklingen av LCD-TV, LED-lasere til Blu-ray-spillere og mer effektive laserskrivere, samt ultrafiolette lysdioder, som brukes til alt fra sterilisering av flaskevann for å bekjempe spredningen av Ebola-viruset.

Sammen med deres praktiske applikasjoner har blå LED-lampe hatt en gunstig innvirkning på miljøet. De er laget uten kontroversiell kvikksølv funnet i kompakte fluorescerende pærer, og med en fjerdedel av verdens energiproduksjon går til belysning, har LED-lampens kaldt lys et stort potensial for å redusere etterspørselen på energinettet. I tillegg varer lysdiodene opptil 100 000 timer i stedet for 1000 timer for glødelamper og 10 000 timer for lysrør. Også, som mobiltelefoner, er de et eksempel på en teknologi som enkelt kan adopteres i mindre utviklede land i form av selvforsynte soldrevne lamper.

Ifølge Nobel-stiftelsen har blå LEDer fortsatt en lang vei å gå ettersom teknologien modnes med mer effektive, justerbare hvite lys basert på en triade av avanserte røde, blå og grønne lysdioder som kommer på linje. Til slutt ser stiftelsen store, datastyrte LED-paneler som dekker hundrevis av kvadratmeter som kan forandre farger eller mønstre, som kan justere belysning som passer til naturlige biorhymer eller gi mer effektiv drivhusbelysning.

Akasaki, Amano og Nakamura vil motta sine premier ved en seremoni i Stockholm i desember.

Kilde: Nobelstiftelsen

Den blå LED er nøkkelen til praktisk LED-belysning

Sammenligning av LED-lamper og tidligere teknologier

LED-lamper blir ofte brukt i gateskilt

Nobelprisen i fysikk i 2014 har blitt tildelt oppfinnene til den blå lysdioden, som er nøkkelen til moderne energieffektiv belysning (Foto: Shutterstock)

Anbefalt Redaksjonens