Один з лауреатів Нобелівської премії з фізики за 2014 рік, професор Хіросі Амано, відвідав МДУ імені М.В.Ломоносова, де прочитав 2 червня лекцію про довгу і непросту історію відкриття синього світлодіоду.
Перший світлодіод створив американський фізик Нік Холоньяк на початку 60-х років минулого століття, і він був червоного кольору. Через кілька років були винайдені світлодіоди, що випромінюють жовте і зелене світло, а ось синій колір не піддавався експериментаторам аж до 90-х. Про те, чому знадобилося цілих 30 років на те, щоб світлодіод став світити синім кольором, і, головне, через які труднощі довелося пройти, розповів у своїй лекції минулого вівторка один з авторів винаходу, професор Хіросі Амано.
У 1975 році Білл Гейтс і Пол Аллен засновують Microsoft, а роком пізніше Стів Джобс і Стів Возняк збирають перший персональний комп'ютер Apple-I. У цей час в Японії у студента Хіросі Амано, натхненного комп'ютерною ерою, з'являється мрія про те, щоб змінити світ за допомогою синього світлодіоду. Подібні бажання змінити світ властиві багатьом молодим людям, але лише одиницям вдається втілити їх у життя. У Нагойському університеті, тоді ще студент, Хіросі Амано знайомиться з професором Ісаму Акасакі, який стає його науковим керівником. І 1983 року Амано захищає свій дипломний проект, присвячений проблемі створення синього світлодіоду на основі нітриду галію.
Варто сказати кілька слів про те, чому ж створення синього світлодіоду становило таку велику проблему. Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, в якому електрони під дією напруги можуть переходити між двома рівнями енергії: валентною зоною і зоною провідності. Відстань між цими рівнями називається шириною забороненої зони. Чим вона ширша, тим більше енергії потрібно електрону, щоб її «перестрибнути». Залежно від напівпровідникового матеріалу перехід між рівнями енергії може супроводжуватися виділенням тепла - і тоді ми отримаємо звичайний діод, який не світиться, або випусканням кванта світла - ось тоді виходить справжній світлодіод. Те, яким світлом світитиме діод, залежить від ширини забороненої зони. Якщо вона вузька, тоді світлодіод світить червоним, а якщо широка - тоді синім або навіть ультрафіолетом. На роль напівпровідникового матеріалу, у якого є одночасно і широка заборонена зона, і можливість випромінювання світла, підходить одна речовина - нітрид галію. І все б нічого, але створити матеріал з потрібною кристалічною структурою виявилося надзвичайно складно. Саме цю проблему - як зробити нітрид галію якісно і не дорого, вдалося вирішити Хіросі Амано.
За словами Амано, свою роботу вони починали робити буквально «на коліні», оскільки кошти на експерименти були вкрай обмежені. Що, власне, і не дивно - фінансувати амбітні експерименти молодого винахідника охочих на той момент не було. Тим більше деякі великі компанії перед цим відмовилися від розробки синього світлодіоду після десятиліття безуспішних спроб.
Для своїх експериментів Амано зібрав установку - реактор для синтезу, в якому він пробував створити плівку з нітрида галію на сапфіровій підкладці. Проводячи експеримент раз за разом, він отримував все ті ж незадовільні результати, якість отримуваного нітрида залишала бажати кращого. Коли кількість експериментів перевалила за півтори тисячі, Амано зрозумів, що рухається не в тому напрямку, і тут йому згадалася одна дискусія в лабораторії, присвячена проблемам зростання кристалів. Для того, щоб створити світлодіод на нітриді галію, необхідно створити з нього рівну плівку без дефектів на підкладці з сапфіра. Однак процес облоги проходить при температурі вище 1000 градусів, а різниця у властивостях нітриду галію і підкладки призводить до нерівномірного зростання кристалів і великої кількості дефектів. Амано прийшла в голову ідея зробити між ними проміжний шар з нітриду алюмінію. Ідея виявилася вдалою, і в 1985 році вперше вдалося створити плівку з нітрида галію необхідної якості.
Але на цьому робота не закінчилася. Потрібно було виконати ще багато експериментів, а проблема нестачі коштів нікуди не зникла. Дорогих приладів, які були вкрай потрібні для роботи, у Амано не було, тому йому доводилося знаходити часом вельми нестандартні виходи з ситуації. Наприклад, для того, щоб вимірювати спектри низькотемпáної фотолюмінесценсції, йому доводилося їздити в університет у сусідньому місті. Протягом цілого року, тричі на тиждень, майбутній лауреат Нобелівської премії сідав на скутер, брав із собою потрібні зразки і їхав знімати спектри. Дорога туди-назад займала близько двох годин. Але витрачений час не минув задарма, і 1993 року в світі з'являється перший серійний синій світлодіод.
Після появи синього світлодіоду у нас з'явилися кольорові дисплеї: разом з червоним і зеленим синій створює повну палітру кольорів. А з розвитком технології, завдяки якій стало можливо виготовлення потужних світлодіодів синього або ультрафіолетового світла, у нас з'явилися популярні нині енергозберігаючі лампочки.
Чому світлодіод синій, а лампа світить білим світлом? Тут вся справа в шарі спеціальної речовини - люмінофору, яким покрита лампа. Люмінофор може поглинати світло однієї довжини хвилі, короткої, як у ультрафіолету або синього світла, а випускати вже більш довгохвильовий - тоді вийде зелений, жовтий або червоний. Надлишок енергії при цьому розсіюється у вигляді тепла. Якщо накласти всі три ці кольори один на інший, то людське око буде сприймати його як біле світло. Тому синій або невидимий оку ультрафіолет від світлодіоду всередині лампи перетворюється люмінофором на приємне біле світло.
Крім енергоефективного освітлення, технології на основі нітриду галію, створені за участю професора Амано, використовуються для створення потужних високочастотних транзисторів. Інша область, яка представляється професору перспективною, це розробка технології очищення води за допомогою світлодіодів, що випромінюють ультрафіолет. Чиста вода, як і доступне дешеве світло, досі, на жаль, залишається великою проблемою для величезного числа людей на Землі. Тому технологія, в яку мало хто вірив спочатку, і яка створювалася на особистому ентузіазмі дослідників, може дійсно зробити життя людей кращим.
Фото автора