A Nobel-díj Bizottság idén a ragyogó kék fényű LED-fényforrások, vagyis a világító diódák kifejlesztéséért jutalmazta Akaszaki Iszamut, Amano Hirosit és Nakamura Súdzsit: a három japán tudós a megszokottnál is kézzelfoghatóbb módon járult hozzá a fény és világosság terjedéséhez. Ráadásul jórészt olyan felfedezésekről beszélünk, melyek nem egyetemek laborjaiban, hanem óriás technológiai cégek kutatási részlegeiben születtek.
Háromból egy
A hagyományos fényforrások valamilyen módon a tüzet vagy az izzást konvertálják át látható fénnyé: a villanykörték belsejében gázburokba vonva egy fémszál (tipikusan volfrám) izzik fel, mely azután a napból érkező fény spektrumához nagyon hasonlót bocsát ki magából. Az eljárás frappáns, de relatíve drága és rossz hatékonyságú, ugyanis az áram jó része hőt termel, s erre csak ritkán van szükségünk. Régóta tart a kutatás az olcsó, erős és hatékony fényforrások után, és a verseny pillanatnyi győztese már évtizedekkel ezelőtt ismert volt. A LED-ek esetében ugyanis a fénytermelés majdnem szobahőmérsékleten történik – éppen ezért tévedés is lenne őket izzónak nevezni, habár megszokásból megteszi az ember. A fényemissziós diódák (ez volna a LED magyarul) nélkül ma szinte már el sem tudjuk képzelni életünket, hiszen ugyanúgy világítanak lakásunkban, mint a biciklinken vagy az általunk bámult kivetítőkön. Ezek az eszközök úgynevezett inkoherens, keskeny spektrumú fényt bocsátanak ki, és az a titkuk – hála a mostani három díjazottnak –, hogy megfelelő kombinációjukkal szinte minden kívánt fénytípus előállítható, színtől és fényerősségtől függetlenül. Egy világító diódában úgy keletkezik fény, hogy megfelelő feszültségű elektromos áramot kapcsolunk rá. A bekövetkező jelenséget elektrolumineszcenciának hívjuk. Alapesetben az áram által gerjesztett elektronok ilyenkor magasabb energiaszintű pályákra ugranak, majd azokról visszatérve az energiakülönbséget fotonok (energiakvantumok), azaz elektromágneses sugárzás formájában kibocsátják. Ám a fényforrásként használt diódákban ennél is összetettebb folyamatok zajlanak. Ehhez tudnunk kell, hogy a diódában felhasznált félvezetők gyártásánál kétfajta anyagot alkalmaznak, az egyikben elektrontöbblet (ez az n-típus), a másikban elektronhiány (ez a p-típus) van. A kulcsfontosságú folyamatok a két réteg határfelületén zajlanak, ahol áram hatására egyrészt elektronok, másrészt úgynevezett lyukak, azaz elektronhiányos zónák vándorolnak. Ezek azután reakcióba lépnek új közegük anyagával, s az így lejátszódó rekombináció járul hozzá a kívánt energiájú fotonok kibocsátásához. A sugárzás megfelelő körülmények mellett s az alkalmazott anyagok gondos kiválasztása után éppen a látható tartományra esik, vagy ha arra van szükség, akkor éppen az infravörös vagy az ultraibolya spektrumba. Persze a rekombinációknak csak kis része jár fotonkibocsátással, amúgy pusztán hő termelődik.
| ||
Kezdetben a fénykibocsátó diódák hatékonysága igen alacsony volt, az első, infravörös LED-ek 1–5 százalékos hatásfokot produkáltak. Ez a mai világító diódáknál, az éppen díjazott fejlesztések hatására elérheti a 20 százalékot is. A világító diódák óriási előnye a hagyományos (akár izzólámpaszerű, akár fénycsőféle) fényforrásokkal szemben, hogy igen kicsi feszültséget és áramerősséget igényelnek.
Előbb vörös, azután kék
A világító diódák kifejlesztésének úttörője az RCA-nak dolgozó Rubin Braunstein: ő már 1955-ben felfedezte, hogy a gallium-arzenid ötvözetek áram hatására infravörös emisszióra képesek. Habár egy tudománytörténeti legenda szerint a szovjet-orosz Oleg Loszev már 1927-ben épített egy működő LED-et (a feltaláló utóbb éhen halt az ostromgyűrűbe fogott Leningrádban). A Texas Instrumentsnek dolgozó Bob Biard és Gary Pittman 1961-ben arra is rájött, hogy ez az ötvözet – megfelelő körülmények között, áram hatására – a látható fény spektrumához közel eső, jól detektálható, viszonylag jelentős elektromágneses sugárzást bocsát ki. Nekik ez még csak az infravörös tartományban sikerült, de azért levédették a LED szabadalmát. Az első, már szó szerint világító diódát egy bizonyos (a General Electricnek dolgozó) Nick Holonyak Jr. alkotta meg 1962-ben, és az ő egyik tanítványa, M. George Craford kreálta az első sárga LED-et, melynek köszönhetően tízszeresére nőtt a világító diódák fényereje. A friss innovációk nyomán a hetvenes években megjelenhettek a kereskedelmi forgalomban is a világító diódák – többnyire a manapság is használatos, 5 mm átmérőjű, hengeres műanyag kivitelben. Meghökkentő tény, de a hetvenes-nyolcvanas években üzembe helyezett LED-ek jelentős része – hála a figyelemre méltó élettartamnak – ma is üzemel! Természetesen a boltban kapható LED-lámpák sok-sok (mérettől függően eltérő számú) egyedi világító diódából állnak.
Csakhogy egy jó ideig csupán vörös, narancs, sárga és zöld LED-eket tudtak előállítani praktikus használatra – ezek sorrendben gallium-alumínium-arzenid, gallium-arzenid-foszfid, illetve gallium-foszfid/gallium-nitrid ötvözetekből készülnek. A kék lámpa azonban nem csak azért hiányzott a sorból, hogy teljes legyen a spektrum: e nélkül ugyanis fehér fényt sem tudtak előállítani, márpedig az volt a cél, hogy a világító dióda idővel konkurense lehessen a hagyományos világítóeszközöknek. Az utóbbi évtizedekben (a most díjazott erőfeszítések árán) kifejlesztett ragyogó kék lámpákhoz gallium-nitrid, esetleg gallium-indium-nitrid (úgynevezett széles energiagáttal bíró) félvezetőket alkalmaznak. Az első, már gallium-nitridet tartalmazó, még korántsem élénk s távolról sem ragyogó kék fényű diódát 1971-ben készítette az amerikai Jacques Pankove, ám mivel ezek a gyér fénnyel pislákoló kis lámpácskák kevés reménnyel biztattak, az ilyen irányú fejlesztések csaknem két évtizedre leálltak. A nyolcvanas évek végén a Cree Inc. gyártani kezdett szilícium-karbid alapú kék LED-eket, melyek egyetlen előnye az volt, hogy kék fényt bocsátottak ki, még ha gyengét is, viszont a hatásfokuk pocsék volt. Ám ugyanebben az időben komoly eredmények születtek a gallium-nitrid-kristályok tengelyirányú növesztésében, és ez az úgynevezett optoelektronikus eszközök forradalmát hozta maga után. Az első ragyogó kék fényű LED-izzót a most díjazott Nakamura Súdzsi prezentálta a Nichia Corporation számára: a felfedezés pedig az áttörést jelentette az igazán ragyogó fényű, a gyakorlatban széleskörűen alkalmazható és kevés energiát fogyasztó fényforrások fejlesztésében. A teljességhez tartozik, hogy a felfedező 2001-ben beperelte volt munkaadóját, a Nichiát, mert alig 20 ezer jen prémiumot akartak fizetni neki – ezzel szemben ő 20 milliárdot követelt. Nakamura végül első fokon megnyerte a pert, és bár a Nichia fellebbezett, végül kiegyeztek 840 millióban, ami még így is a legnagyobb bónusz, amit japán vállalat valaha is kifizetett. Igaz, hogy efféle jogi esetekbe nem bonyolódtak, ám a másik két díjazott, Amano Hirosi és Akaszaki Iszamu munkája is kellett ahhoz, hogy a kilencvenes évek végén széleskörűen elérhetők legyenek a kék fényű világító diódák: ők az új LED-ek működéséhez nélkülözhetetlen anyagok kifejlesztésében és tulajdonságaik tisztázásában jutottak kulcsszerephez.
| ||
A világító diódák e legfrissebb generációjában vastag gallium-nitrid rétegek közé helyeznek akár több gallium-indium-nitrid kvantumforrást, és ez utóbbiak összetételét variálva a kibocsátott fény gyakorlatilag az ibolyaszíntől a borostyánsárgáig váltakozhat, ráadásul szabályozottan. Felmerült a remény, hogy efféle módszerrel akár közel UV-fényt is sikerül előállítani, de ezek a kezdeti és kezdetleges UV-fényforrások még korántsem érték el a zöld és kék fényforrások hatékonyságát. Később a kutatók rájöttek arra, hogyha alumíniumot is vegyítenek a félvezetőszendvicsbe, akkor sokkal hatékonyabb módon tudnak közel UV-spektrumú elektromágneses sugárzást kibocsátó úgynevezett fekete lámpákat előállítani. Márpedig ezek, a fejlesztések nyomán könnyen előállítható (számunkra nem is mindig látható) fényforrások kulcsfontosságúak a pénzeken és más biztonsági védelemmel ellátott dokumentumokon elhelyezett hamisításellenes jelzések (vagy éppen a hiányuk) érzékelésében. Az ennél kisebb hullámhosszú sugárzást kibocsátó, azaz már a nagyobb energiájú UV-spektrumon „világító” diódák kicsit ugyan drágábbak, de azért még ezek is megfizethetők. Ami megint csak fontos, hiszen pontosan ezek a LED-ek produkálják a sterilizálási, fertőtlenítési célból elpusztítandó mikroorganizmusok örökítőanyagának fényelnyelési spektrumához közel eső hullámhosszokat.
És a fehér
A kék fényű diódák segítségével már sokkal könnyebben lehetett fehér fényű, diódaalapú fényforrást előállítani: erre természetesen több módszer is adódik. Megtehetjük például, hogy lumineszcens borítást (fényport) alkalmazunk a dióda felszínén, ami az eredetileg kék, esetleg közel UV-spektrumú fényből konvertál széles, a természetes fényhez hasonló spektrumú fehér fényt – hasonlatos módon a fluoreszcens fénycsövek működéséhez. De keverhetjük is a kék, vörös és zöld fényforrások fényét is: ezt is többféle módon. A három alapszínű dióda sima mixelése révén leginkább háttérfénynek alkalmas fényforrást kaphatunk – a nagyméretű kivetítőkön viszont éppen ilyen keverésre van szükség! Ám sokkal jobb eredményre juthatunk, ha közel UV-spektrumú LED-fényforrással gerjesztünk egy fénypor-borítású (angolszászból átvett, az összetételt tekintve pontatlan kifejezéssel foszforos) zöld, vörös és kék LED-et is tartalmazó lámpaköteget. A legjobb és a legeredményesebb megoldás, ha kék világító diódát és sárga fényporos LED-et használunk együtt – talán e két komplementer színt létrehozó fényforrás alkalmazása tűnik a leghatékonyabbnak. A jövő (a szerves vegyületeket tartalmazó OLED-ek mellett) állítólag a nanokristályokat használó úgynevezett kvantumpontos világító diódáké: utóbbiak már a spektrum tetszőleges színét képesek előidézni. Sőt, alkalmazásukkal már megszokott, házi izzólámpáink meleg, sárgásfehér fényét is sikerült megteremteni.
