Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
W2 Usługi badań i pomiarów
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Nagroda Nobla dla wynalazców niebieskiej diody elektroluminescencyjnej

ghost666 07 Paź 2014 23:35 7308 32
  • Nagroda Nobla dla wynalazców niebieskiej diody elektroluminescencyjnejSzwedzka Królewska Akademia Nauk zdecydowała się na przyznanie Nagrody Nobla z fizyki w tym roku dla trzech naukowców. Nagrodzeni to Isamu Akasaki (Uniwersytet Meijo, Nagoya, Japonia), Hiroshi Amano (Uniwersytet w Nagoya, Japonia) i Shuji Nakamura (Uniwersytet Kalifornii w Santa Barbara, USA).

    Od lat '70 XX wieku, ta trójka badaczy mierzyła się z wyzwaniem z dziedziny fizyki materiałów i urządzeń półprzewodnikowych, które polegało na stworzeniu diody elektroluminescencyjnej emitującej światło niebieskie. Czerwone i zielone diody LED dostępne były już od późnych lat '60 XX wieku. Finałem ich badań było stworzeniem niebieskiej diody LED w 1993 roku, co uczyniło widmo emitowane przez diody elektroluminescencyjne w zakresie światła widzialnego kompletnym. Szeroki zakres możliwych aplikacji, od oświetlenia mieszkań po zapis na dyskach optycznych, otworzył się dzięki temu przed ludzkością.

    Diody LED, jeśli porówna się je z żarówkami, są dziesięć razy bardziej efektywne energetycznie, pracują sto razy dłużej i są o wiele wiele bardziej odporne na wibracje i uderzenia. Zakładając, iż 20..30% energii elektrycznej produkowanej na świecie zużywane jest na oświetlenie, szeroka adaptacja oświetlenia opartego o diody LED musi znacznie zredukować konsumpcję energii elektrycznej na świecie i w konsekwencji zmniejszyć ilość emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla.

    Jako dalekie echo słów Alfrea Nobla, komitet Noblowski podsumował nadanie tegorocznej nagrody stwierdzeniem, iż wynalazek niebieskiej diody LED jest "ogromnym zyskiem dla całej ludzkości".

    W kierunku niebieskich diod LED

    Niebieskie diody LED działają na tej samej zasadzie co ich czerwoni i zieloni bracia. Dwie warstwy półprzewodnika - jedna domieszkowana p, druga n, sąsiadują ze sobą. Przyłożenie napięcia na wskroś tych warstw - od p do n, powoduje płynięcie dodatkowych elektronów z pasma przewodzenia warstwy domieszkowanej typu n do pasma walencyjnego warstwy domieszkowanej typu p, gdzie zapełniają dziury.

    Jeśli elektrony mogą przekroczyć przerwę energetyczną bez nabierania lub wytracania pędu, to znaczy gdy minimum pasma przewodzenia i maksimum pasma walencyjnego znajdują się obok siebie w przestrzeni pędów, każda rekombinacja pary elektron-dziura produkuje foton, którego energia równa jest właśnie energii przerwy energetycznej w materiale z którego zbudowana jest dioda.

    Materiały, które mają prostą przerwę energetyczną, są efektywnymi materiałami do konstrukcji diod LED, jednakże są one wyjątkiem wśród półprzewodników, gdzie większość, z krzemem na czele, ma przerwę skośną. Większość diod elektroluminescencyjnych, z niebieskimi zdobywcami Nobla na czele, skonstruowane są z materiałów o prostej przerwie energetycznej opartych o pierwiastki z III i V grupy tabeli okresowej pierwiastków.

    Czerwone i zielone diody LED wykonywane są, odpowiednio, z arsenku gali i fosforku galu. W uproszczeniu do wytworzenia kolejnego koloru o krótszej długości fali, trzeba sparować gal z lżejszym pierwiastkiem z grupy V - azotem, którego mniejszy rozmiar powoduje ciaśniejsze wiązanie atomów w strukturze i poszerzenie przerwy energetycznej.

    Poszukiwanie metody na wykorzystanie azotku galu i jego przerwy energetycznej dla emisji światłą rozpoczęło się w latach '50 XX wieku, nawet przed debiutem czerwonego LEDa w 1962 roku. Do wczesnych lat '70 XX wieku naukowcy nie osiągnęli wiele. Okazało się, iż hodowanie kryształów GaN-u (jak nazywa się często ten materiał - przyp. tłum.) wielkości układów jest zbyt trudne, nie mówiąc już o ich odpowiednim domieszkowaniu.

    Perspektywy rozjaśniły się dopiero, gdy nowa technika wzrastania kryształów pojawiła się w branży półprzewodnikowej. Była to technika wzrastania kryształów warstwa po warstwie. MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy, ang. epitaksja z par metaloorganicznych) pozwalało na hodowanie kryształów GaN-u domieszkowanych typu p i typu n. W 1986 roku, po dekadzie starań, udało się badaczom odnaleźć receptę na stworzenie układu. GaN nakładany był na warstwę azotku glinu, który z kolei nałożony był na szafirowym substracie. Podstawa z szafiru i azotku glinu zapewniła poprawny wzrost kryształom azotku galu. Niezależnie pracujący Nakamura osiągnął ten sam efekt w 1991 roku.

    Domieszkowanie azotku galu magnezem i cynkiem pozwalało na wzrastanie kryształów domieszkowanych typu p, jednakże nie były one w stanie efektywnie akceptować elektronów. Na szczęście, zupełnie przypadkiem, Amano i Akasaki odkryli pod koniec lat '80 XX wieku, iż próbki GaN-u po przebadaniu skaningowym mikroskopem elektronowym lepiej absorbują elektrony. Nakamura odkrył, dlaczego tak jest. Powodem tego zjawiska fakt, iż podczas wzrostu kryształów, domieszki formowały kompleksy z wodorem, obecnym jako zanieczyszczenie w próbce, pochodzące z prekursorów używanych w MOVPE. Naświetlanie kryształów wiązką elektronów pozwoliło na niszczenie tych kompleksów, podobnie jak wygrzewanie kryształu.

    Ostatnim krokiem do skonstruowania efektywnej, niebieskiej diody LED było wykorzystanie koncepcji heterostruktury. W LEDach opartych o azotek galu, podobnie jak w stworzonych przed nimi LEDach opartych o arsenek galu, różne półprzewodniki z tej samej grupy łączone były w warstwy. Pochodzenie atomów z tej samej 'rodziny' zapewnia, iż mimo odmiennych przerw energetycznych i współczynników załamania, materiały te są kompatybilne strukturalnie ze sobą. Przy odpowiednim wyborze warstw elektrony i dziury są w stanie bezproblemowo rekombinować emitując fotony z mniejszej objętości, co poprawia efektywność diody. Wykorzystanie własności optycznych materiałów pozwala na zwiększenie efektywności jeszcze bardziej.

    Pierwszy niebieski LED wykonany przez Amano i Akasakiego składał się z warstwy GaN-u na azotku glinu. Nakamura z kolei sparował azotek galu z azotkiem indu galu a także wytworzył strukturę InGaN na AlGaN. Do 1993 roku Nakamura stworzył niewielkie, niebieskie diody LED, które świeciły równie mocno co świeczka. Emisja w tych elementach zachodziła z warstwy domieszkowanego cynkiem azotku indu galu, umieszczonej pomiędzy dwoma warstwami azotku glinu galu, domieszkowanymi n i p, co z kolei umieszczone było pomiędzy tak samo domieszkowanymi warstwami GaN-u. Publikacja opisująca tą strukturę jest kamieniem milowym rozwoju technologii półprzewodników i została, póki co, zacytowana ponad 3000 razy.

    Niebieskie diody LED mają potencjał nie tylko na zmniejszenie światowego zużycia energii elektrycznej. Oparte i azotek galu elementy optoelektroniczne mają wiele aplikacji. Umieszczane są w komputerach, telewizorach i telefonach komórkowych. W wielu krajach trzeciego świata lampy solarne wykorzystujące między innymi niebieskie diody zastępują używane wcześniej lampy naftowe.

    Źródło:

    http://scitation.aip.org/content/aip/magazine...ize+in+Physics&dm_i=1Y69,2UUXV,E1O02P,ACVB3,1

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666 napisał 9197 postów o ocenie 6665, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • W2 Usługi badań i pomiarów
  • #2
    telecaster1951
    Moderator Akustyka
    ghost666 napisał:
    diody LED
    ghost666 napisał:
    diody LED
    ghost666 napisał:
    diody LED
    Albo diody elektroluminescencyjnej albo po prostu LED. Pleonazm jest jednym z najbardziej irytujących błędów językowych.
    Odnośnie artykułu. Wreszcie Nobel z mojej dziedziny.
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    telecaster1951 napisał:
    ghost666 napisał:
    diody LED
    ghost666 napisał:
    diody LED
    ghost666 napisał:
    diody LED
    Albo diody elektroluminescencyjnej albo po prostu LED. Pleonazm jest jednym z najbardziej irytujących błędów językowych.


    Pozwalam sobie na pleonazmy z abrewiacjami angielskimi (czy ogólnie - obcojęzycznymi), gdyż tak brzmi, moim zdaniem, akceptowalnie. Szczególnie w tekstach popularnonaukowych.

    Cytat:
    Odnośnie artykułu. Wreszcie Nobel z mojej dziedziny.


    Kolega zajmuje się półprzewodnikami? Gdzie, jeśli można wiedzieć?
  • #4
    telecaster1951
    Moderator Akustyka
    ghost666 napisał:

    Kolega zajmuje się półprzewodnikami? Gdzie, jeśli można wiedzieć?
    Organicznymi półprzewodnikami na Politechnice Łódzkiej. W moim awatarze jest zdjęcie tranzystora organicznego.
    PS. Na Nobla z Chemii typują naukowców zajmujących się OLEDami.

    Ja wiem że one są akceptowalne, nawet przez niektórych członków RJP, ale jednak gryzie po oczach.
  • #5
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    telecaster1951 napisał:
    ghost666 napisał:

    Kolega zajmuje się półprzewodnikami? Gdzie, jeśli można wiedzieć?
    Organicznymi półprzewodnikami na Politechnice Łódzkiej.


    Kurcze, to bardzo fajny temat, możesz mi na PW napisać dokładnie u kogo i co tam ciekawego robicie? Rozglądam się właśnie po kraju tu i ówdzie co się dzieje i oprócz prof. Pronia nie znam nikogo z organicznej elektroniki u nas w kraju, a chciałbym - kiedyś, docelowo - wyjechać do Austrii do Linz, tam mają całkiem fajną grupę zajmującą się elektroniką organiczną.

    telecaster1951 napisał:
    PS. Na Nobla z Chemii typują naukowców zajmujących się OLEDami.
    Nie liczyłbym zbyt szybko, bo 'niedawno' (w 2000 roku) był Nobel za przewodzące polimery.

    telecaster1951 napisał:
    Ja wiem że one są akceptowalne, nawet przez niektórych członków RJP, ale jednak gryzie po oczach.
    W połączeniu z mniej znanymi lub nieoczywistymi abrewiacjami jednak ma to spory sens, np. 'mikroskop SEM', bo samo SEM na tym forum można skojarzyć zgoła inaczej.
  • #6
    Grzegorz77
    Poziom 25  
    ghost666 napisał:
    Finałem ich badań było stworzeniem niebieskiej diody LED w 1993 roku

    Coś tu nie gra.
    "Mikrokomputery" Herwig Feichtinger wydawnictwo Franz-Verlag GmbH rok wydania 1985
    Polskie wydanie WKŁ rok wydania 1988

    Str. 156 :
    "Diody świecące w kolorze niebieskim można wytwarzać z węgliku wapnia, lecz osiągalne dla tego (...) i dlatego niebieskie diody LED można rzadki spotkać w praktyce z powodu trudności technologicznych przy ich produkcji."

    Wygląda na to że niebieskie LED były znane na kilka lat przed ich "stworzeniem" :?:
  • W2 Usługi badań i pomiarów
  • #8
    telecaster1951
    Moderator Akustyka
    Bo oni nie wynaleźli niebieskich LEDów. Oni stworzyli wydajnego LEDa który mógł być produkowany na masową skalę. Wcześniej niebieskie LEDy miały niską wydajność, słabo świeciły a ich cas życia był niewielki.
  • #10
    deus.ex.machina
    Poziom 32  
    Grzegorz77 napisał:

    "Diody świecące w kolorze niebieskim można wytwarzać z węgliku wapnia, lecz osiągalne dla tego (...) i dlatego niebieskie diody LED można rzadki spotkać w praktyce z powodu trudności technologicznych przy ich produkcji."

    Wygląda na to że niebieskie LED były znane na kilka lat przed ich "stworzeniem" :?:


    Niebieskie LED były robione z różnych materiałów ale to Japończycy (i firma Nichia) "umasowiły" niebieski LED używając azotku galu.

    Swoją drogą szkoda, że komitet Nobla zignorował twórców nowoczesnych półprzewodnikowych źródeł światła

    http://www.independent.co.uk/news/science/nob...erlooking-his-seminal-1960s-work-9782948.html

    A samo zjawisko opisano ponad 100 lat temu - emisja światła z węglika krzemu.
  • #11
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Specjalnie zajrzałem na Wikipedię, aby sprawdzić za co dokładnie przyznano Nobla w tym roku z fizyki i stoi tam, iż:

    „Za wynalezienie efektywnej niebieskiej diody elektroluminescencyjnej, która może być źródłem jasnego i energooszczędnego światła białego” (podkreślenie moje).

    Zatem nie za samego niebieskiego LEDa, ale za efektywnego niebieskiego LEDa który umożliwił stworzenie energooszczędnego oświetlenia LEDowego.
  • #12
    mmm777
    Poziom 29  
    Nichia brzydko potraktowała Nakamurę - to on faktycznie zrobił dla nich niebieskie LEDy. Dostał za to: `his bonus for the discovery, which was originally ¥20,000 (≈US$180). '
    Dobrze, że Nobla dostał.
  • #13
    japko1024
    Poziom 17  
    Diody LED stosowane jako oświetlenie uliczne mogą przyczynić się do zmniejszenia zanieczyszczenia świetlnego. Ułatwiają konstruowanie opraw kierujących jak największą część światła tam, gdzie jest potrzebne, zapobiegając jego emisji do nieba, w okna budynków i oślepiania kierowców i pieszych. Poza tym mogą współpracować z czujnikami ruchu/obecności i ściemniaczami.
  • #14
    iagre
    Poziom 35  
    japko1024 napisał:
    zmniejszenia zanieczyszczenia świetlnego. Ułatwiają konstruowanie opraw kierujących jak największą część światła tam, gdzie jest potrzebne, zapobiegając jego emisji do nieba, w okna budynków

    Chyba nic z tego, bo od kilku lat panuje moda na oświetlanie budynków. Nawet jeśli strumień światła nie trafia w niebo to trafia w niebo światło odbite od ściany budynku. Sens tego jest taki że po to oszczędzamy na jednostkowych kosztach oświetlenia żeby zamiast jednej świecącej żarówki były dwie świecące żarówki.
  • #15
    japko1024
    Poziom 17  
    A najgorsze są LEDowe telebimy, które rozświetlają kolorowym, migającym światłem niebo z odległości nawet kilometra i stwarzają znaczne zagrożenie dla uczestników ruchu drogowego. Każdy wynalazek musi być po prostu odpowiedzialnie stosowany.
  • #16
    telecaster1951
    Moderator Akustyka
    Jest tylko jeden problem. Jeżelibyśmy zmienili wszystkie latarnie z sodówek na LEDy, to mamy ogromny problem energetyczny. Diody zużywają za mało energii. Uliczne latarnie nie tylko są po to żeby było jasno, ale również po to żeby wypalić nadmiar energii.
  • #17
    excray
    Poziom 39  
    telecaster1951 napisał:
    Jest tylko jeden problem. Jeżelibyśmy zmienili wszystkie latarnie z sodówek na LEDy, to mamy ogromny problem energetyczny. Diody zużywają za mało energii. Uliczne latarnie nie tylko są po to żeby było jasno, ale również po to żeby wypalić nadmiar energii.

    Problem dla elektrowni. Dla samego zainteresowanego czysty zysk. A taki nadmiar energii to też dobra rzecz. Zmobilizuje producentów do inwestowania a co za tym idzie rozwijania wydajnych metod magazynowania energii a to jest chyba główna bolączka dzisiejszych czasów.
  • #18
    telecaster1951
    Moderator Akustyka
    excray napisał:
    co za tym idzie rozwijania wydajnych metod magazynowania energii a to jest chyba główna bolączka dzisiejszych czasów.
    No właśnie. Obecnie nie ma takich metod. Jedyne co wchodzi w grę to elektrownie szczytowo-pompowe, ale to nie jest do wykorzystania wszędzie.
  • #19
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    telecaster1951 napisał:
    excray napisał:
    co za tym idzie rozwijania wydajnych metod magazynowania energii a to jest chyba główna bolączka dzisiejszych czasów.
    No właśnie. Obecnie nie ma takich metod. Jedyne co wchodzi w grę to elektrownie szczytowo-pompowe, ale to nie jest do wykorzystania wszędzie.


    Z drugiej strony świat przymierza się coraz bardziej do stosowania superkondensatorów do magazynowania energii elektrycznej.
  • #20
    markovip
    Poziom 34  
    telecaster1951 napisał:
    Jest tylko jeden problem. Jeżelibyśmy zmienili wszystkie latarnie z sodówek na LEDy, to mamy ogromny problem energetyczny. Diody zużywają za mało energii. Uliczne latarnie nie tylko są po to żeby było jasno, ale również po to żeby wypalić nadmiar energii.

    Wcale się z Kolegą nie zgodzę.
    Wymiana nie nastąpi od razu, a pomijając fakt elektrowni atomowych (~20% produkcji energii w zachodnich krajach) produkowaną moc innych źródeł energii można regulować.
    W dużej liczbie miast w Hiszpanii światła są progresywnie wymieniane. A W przyszłym roku ruszy wymiana lamp ulicznych w całym Madrycie - ok. 250 tys. sztuk. :)

    Pozdrawiam
  • #21
    telecaster1951
    Moderator Akustyka
    W Polsce, gdzie nadal 90% energii jest pozyskiwana ze spalania węgla, wymiana sodówek na LEDy byłaby problemem. Tu nie da się wygasić kotła. Regulacja produkowanej mocy nie jest wielka w tym wypadku, więc nadmiar energii musi być wypalony.
    Głupia "Godzina dla Ziemi" powoduje gigantyczne problemy energetyczne.
  • #22
    markovip
    Poziom 34  
    Powtarzam, zmiana nie nastąpi z dnia na dzień. Więc żadnego problemu nie będzie.
  • #23
    bolek
    Specjalista - oświetlenie sceniczne
    telecaster1951 napisał:
    excray napisał:
    co za tym idzie rozwijania wydajnych metod magazynowania energii a to jest chyba główna bolączka dzisiejszych czasów.
    No właśnie. Obecnie nie ma takich metod. Jedyne co wchodzi w grę to elektrownie szczytowo-pompowe, ale to nie jest do wykorzystania wszędzie.


    Można jeszcze zrobić/wykorzystać dziurę w ziemi. Do wykorzystania w zasadzie wszędzie
  • #24
    SQLmaster
    Poziom 24  
    telecaster1951 napisał:
    Jest tylko jeden problem. Jeżelibyśmy zmienili wszystkie latarnie z sodówek na LEDy, to mamy ogromny problem energetyczny. Diody zużywają za mało energii. Uliczne latarnie nie tylko są po to żeby było jasno, ale również po to żeby wypalić nadmiar energii.


    1. Kolega ma świadomość, że te sodówki mają sprawność sporo lepszą od masowo produkowanych LED? Jak kolega poszuka sobie to 100lm/W ma napradę mało który LED dużej mocy. Zwykle mają ok 80lm/W. A sodówka uliczna ze sklepu ma zwykle ok 100lm/W czyli lepiej. Problemem nie jest sprawność tylko m.in. nikczemny kolor światła sodowego.

    2. Przecież te latarnie nie świecą się non stop tylko zapalają i gaszą o nieprecyzyjnie określonej porze (zachmurzenie przesuwa nieco moment zapalania i gaszenia). I jakoś nikt przez to nie siwieje ze stresu w elektrowniach.

    Nie wiem czy kolega kiedyś był na dniach otwartych w elektrowni opalanej węglem albo nawet elektrociepłowni. Piece to nie są takie mega paleniska jak w lokomotywach z westernów. Są to piece na bieżąco palące wtryskiwany pył węglowy, bardziej to przypomina piec gazowy. A węgiel kamienny uprzednio sami mielą w młynach kulowych.

    To się da elegancko i dość szybko przestawić na inną moc cieplną. Nie wiem czy tak to wygląda przy węglu brunatnym (2 nasze największe elektrownie) ale tak wygląda przy węglu kamiennym.
  • #25
    japko1024
    Poziom 17  
    SQLmaster napisał:
    1. Kolega ma świadomość, że te sodówki mają sprawność sporo lepszą od masowo produkowanych LED? Jak kolega poszuka sobie to 100lm/W ma napradę mało który LED dużej mocy. Zwykle mają ok 80lm/W. A sodówka uliczna ze sklepu ma zwykle ok 100lm/W czyli lepiej. Problemem nie jest sprawność tylko m.in. nikczemny kolor światła sodowego.

    Za to sodówki i inne lampy HID nie mogą być często włączane i wyłączane. Nie można też regulować ich jasności od 0 do 100%, bo przy zbyt dużym przyciemnieniu gasną. Natomiast LED-y nie mają tych wad, więc mogą współpracować z czujnikami ruchu lub obecności. Po co latarnie mają świecić przez całą noc? W ten sposób można zaoszczędzić mnóstwo energii.
  • #26
    telecaster1951
    Moderator Akustyka
    SQLmaster napisał:
    I jakoś nikt przez to nie siwieje ze stresu w elektrowniach.
    Byś się zdziwił.
    SQLmaster napisał:
    w elektrowni opalanej węglem albo nawet elektrociepłowni.
    Mieszkam przy jednej. Wiem jak to wygląda, dlatego napisałem że istnieje niewielka możliwość regulacji ale NIEWIELKA. Nie da się zredukować o 90% produkcji energii bo wygasi się kocioł a jego ponowne rozpalenie to 2 tygodnie.
  • #27
    iagre
    Poziom 35  
    telecaster1951 napisał:
    bo wygasi się kocioł a jego ponowne rozpalenie to 2 tygodnie.

    Mam znajomego który pracuje w elektrowni „Pomorzany” w Szczecinie gdzieś przy sterowaniu całością. Jakiś czas temu popytałem sie go o kilka szczegółów i dowiedziałem się że jeśli elektrownia jest całkowicie wyłączona to bez energii z zewnątrz nie da się jej uruchomić i żeby dało się ją uruchomić to potrzebuje na start z zewnątrz minimum pół megawata energii.
  • #28
    japko1024
    Poziom 17  
    Kiedyś kolega opowiadał mi, że ktoś w jego rodzinie ma ciężarówkę, której silnik jest uruchamiany nie zwykłym rozrusznikiem, a drugim, mniejszym silnikiem spalinowym :)
  • #29
    excray
    Poziom 39  
    To bardzo popularna praktyka przy większych silnikach. Nie ma w tym nic nadzwyczajnego.
  • #30
    SQLmaster
    Poziom 24  
    excray napisał:
    To bardzo popularna praktyka przy większych silnikach. Nie ma w tym nic nadzwyczajnego.
    Np w spychu DT-75 jest taki rozrusznik.

    Niemniej jednak odchodzimy od tematu niebieskich LED. Jest ciekawe, że przyznano nagrodę Nobla nie za wynalazek w ogóle (bo to zrobił dawno ktoś inny) tylko za stworzenie wydajnego LED. I tu zaczynam się zastanawiać czy pierwszy raz w historii nie przyznano nagrody za inżynierię zamiast fizyki.

    Zdaniem profesora Krzysztofa Meissnera z Uniwersytetu Warszawskiego
    Cytat:
    Od strony technologicznej to było bardzo duże osiągnięcie. Natomiast od strony teoretycznej nic nowego tutaj nie ma
    Link
    I ja się z nim w 100% zgadzam.