مساهمة الحائزين على جائزة نوبل: مصابيح LED الزرقاء تملأ العالم بضوء جديد

فقط مزيج من الضوء الأحمر والأخضر والأزرق قادر على خلق الضوء الأبيض الذي ينير العالم من حولنا. على الرغم من المخاطر العالية والجهود المتعددة المطلوبة من مجتمع البحث، سواء في الجامعات أو في الصناعة، ظل إنتاج ضوء LED الأزرق يمثل تحديًا لم يتم حله لمدة ثلاثة عقود كاملة - حتى جاء الفائزون الثلاثة بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2014 و حول القرن الحادي والعشرين إلى قرن LED

فاز إيسامو أكاساكي وهيروشي أمانو وشوجي ناكامورا بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2014. لاختراع طاقة جديدة - مصدر إضاءة فعال وصديق للبيئة - الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق (LED). وفقًا لوصية ألفريد نوبل، تُمنح الجائزة للاختراع الذي يقدم مساهمة مهمة ومفيدة للإنسانية؛ باستخدام مصابيح LED الزرقاء، من الممكن إنتاج الضوء الأبيض بطريقة جديدة. ومع مصابيح LED المتقدمة أصبح لدينا اليوم بدائل أكثر كفاءة وطويلة الأمد لمصادر الإضاءة القديمة.

عندما يصل أكاساكي وأمانو وناكامورا إلى ستوكهولم في أوائل ديسمبر للمشاركة في حفل جائزة نوبل، لن يتمكنوا من تجاهل الإضاءة التي تأتي من اختراعهم والتي تشع من جميع نوافذ المدينة. مصابيح LED البيضاء هي مصابيح موفرة للطاقة، ومستقرة بمرور الوقت وتنبعث منها ضوء أبيض ساطع. علاوة على ذلك، وعلى عكس مصابيح الفلورسنت، فهي لا تحتوي على معدن الزئبق السام.

لقد عرفنا الثنائيات الباعثة للضوء الأحمر والأخضر منذ ما يقرب من نصف قرن، ولكن كانت هناك حاجة حقيقية للضوء الأزرق من أجل إحداث طفرة حقيقية في تقنيات الإضاءة - فقط مزيج من الضوء الأحمر والأخضر والأزرق هو الذي يستخدم قادر على خلق الضوء الأبيض الذي ينير العالم من حولنا. على الرغم من المخاطر العالية والجهود المتعددة المطلوبة من مجتمع البحث، سواء في الجامعات أو في الصناعة، ظل إنتاج ضوء LED الأزرق تحديًا لم يتم حله لمدة ثلاثة عقود كاملة.

عمل أكاساكي مع أمانو في جامعة ناغويا بينما كان ناكامورا يعمل لدى شركة Nichiya Kemeikles، وهي شركة صغيرة في توكوشيما. وبمجرد حصولهم على أشعة الضوء الأزرق من أشباه الموصلات الخاصة بهم، فُتحت البوابات لإجراء تغييرات جوهرية في تقنيات الإضاءة. أضاءت المصابيح المتوهجة القرن العشرين؛ تم تعريف القرن الحادي والعشرين بواسطة مصابيح LED.

توفير الطاقة والموارد

يتكون الصمام الثنائي الباعث للضوء من عدة مواد شبه موصلة مرتبة في عدة طبقات. في لمبة LED يتم تحويل الكهرباء مباشرة إلى جزيئات ضوئية وهي الفوتونات، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة مقارنة بمصادر الضوء الأخرى، حيث يتحول معظم الكهرباء إلى حرارة ولا يتحول سوى جزء صغير إلى ضوء. في المصابيح المتوهجة، وكذلك في مصابيح الهالوجين، يتم استخدام تيار كهربائي لتسخين ملف فتيل يؤدي إلى انبعاث الضوء منه. في مصابيح الفلورسنت، يتم الحصول على تفريغ الغاز، مما يؤدي إلى توليد الحرارة والكهرباء.
وعلى عكس مصادر الإضاءة هذه، تستهلك مصابيح LED الجديدة طاقة أقل لإصدار الضوء. علاوة على ذلك، تخضع هذه المصابيح للتحسين المستمر وتصبح أكثر كفاءة مع تحقيق تدفق ضوئي أعلى (يقاس بوحدات اللومن) لكل وحدة مدخلة من الكهرباء (يقاس بوحدات الواط). أحدث سجل هو معدل يزيد عن 300 لومن/واط، وهو معدل يساوي 16 مصباحًا كهربائيًا قياسيًا وما يقرب من 70 مصباح فلورسنت. وفي ضوء أن حوالي ربع استهلاك العالم من الكهرباء مخصص لأغراض الإضاءة، فإن مصابيح LED الموفرة للطاقة للغاية تساهم في توفير موارد الطاقة في الأرض.
قلب لمبة LED.

يتكون الصمام الثنائي الباعث للضوء من عدة طبقات من مواد شبه موصلة. يقوم تيار كهربائي بنقل الإلكترونات من الطبقة n والثقوب من الطبقة p إلى الطبقة النشطة، حيث تندمج معًا أثناء انبعاث الضوء. يعتمد الطول الموجي للضوء بشكل كامل على طبيعة أشباه الموصلات المستخدمة. لمبة LED نفسها ليست أكبر من حبة الرمل.
ضوء LED أزرق.

يتكون الصمام الثنائي الباعث للضوء في هذا المصباح من عدة طبقات مختلفة من مادة نيتريد الغاليوم (GaN). ومن خلال مزجه مع الإنديوم (In) والألومنيوم (Al)، تمكن الفائزون من زيادة كفاءة اللمبة.

تدوم مصابيح LED أيضًا لفترة أطول من المصابيح الأخرى. تميل المصابيح المتوهجة إلى العمل لمدة 1,000 ساعة، لأن الحرارة المنبعثة بمرور الوقت تدمر الفتيل نفسه، بينما تميل مصابيح الفلورسنت إلى العمل لمدة 10,000 ساعة تقريبًا. يمكن أن تعمل مصابيح LED لمدة 100,000 ساعة، مما يقلل بشكل كبير من تآكل المواد.

خلق الضوء داخل أشباه الموصلات

ولدت تقنية LED من نفس المكان الذي ولدت فيه الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وجميع المكونات والمعدات الإلكترونية الحديثة الأخرى القائمة على الظواهر الكمومية. يتكون الصمام الثنائي الباعث للضوء من عدة طبقات: طبقة من النوع n بها فائض من الإلكترونات سالبة الشحنة وطبقة من النوع p بها نقص في الإلكترونات، والتي تُعرف بالطبقة التي بها فائض من الثقوب الموجبة الشحنة.
يتم وضع بينهما طبقة نشطة يتم تصريف الإلكترونات السالبة والثقوب الموجبة إليها عند تطبيق تيار كهربائي على أشباه الموصلات. عندما تلتقي الإلكترونات والثقوب فإنها تندمج لتكوين الضوء. يعتمد الطول الموجي للضوء كليًا على نوع أشباه الموصلات - يظهر الضوء الأزرق في أطوال موجية قصيرة من الطيف ولا يمكن الحصول عليه إلا في مواد معينة.
ظهر أول منشور يعرض انبعاث الضوء من أشباه الموصلات في عام 1907 على يد هنري راوند، زميل جولييلمو ماركوني، وهو مهندس كهربائي إيطالي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1909، لمساهمته في تطوير الاتصالات اللاسلكية. الإبراق. ثم، في العشرينيات والثلاثينيات من القرن العشرين، في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، أجرى العالم أوليغ ف. لوسيف المزيد من الدراسات المتعمقة فيما يتعلق بانبعاث الضوء. وفي الوقت نفسه، افتقر الباحثان إلى الفهم المناسب لفهم الظاهرة بشكل كامل. وسوف تمر عدة عقود أخرى قبل ظهور المتطلبات الأساسية للوصف النظري الدقيق لهذه الظاهرة الكمومية، أي التألق الكهربائي.

تم اختراع الصمام الثنائي الباعث للضوء الأحمر في أواخر الخمسينيات. تم استخدام هذه الثنائيات، على سبيل المثال، في الساعات والآلات الحاسبة الرقمية، أو كمؤشرات حالة تشغيل/إيقاف في تطبيقات مختلفة. في مرحلة مبكرة، كان من المفهوم أن هناك حاجة مهمة لإنشاء صمام ثنائي باعث للضوء بطول موجي قصير يتضمن فوتونات قوية للغاية - صمام ثنائي باعث للضوء الأزرق - من أجل إنتاج الضوء الأبيض. وقد حاولت العديد من المختبرات تحقيق ذلك، ولكن دون جدوى.

تحدي الاتفاقيات

تحدى الفائزون بالجوائز الحقائق الراسخة؛ لقد عملوا بجد وتحملوا العديد من المخاطر. لقد بنوا معداتهم الخاصة، وابتكروا التكنولوجيا من الصفر وأجروا آلاف التجارب. لقد فشلوا في أغلب الأحيان، لكنهم لم ييأسوا؛ لقد كانت واحدة من أعلى الفنون المخبرية.
اختار الباحثون مادة نيتريد الغاليوم وفي النهاية نجحوا في مساعيهم، على الرغم من فشل كثيرين آخرين قبلهم. في المرحلة الأولى، اعتبرت المادة مناسبة لإنتاج الضوء الأزرق، لكن تم اكتشاف العديد من الصعوبات العملية. لم يتمكن أي باحث من صنع بلورة نيتريد الغاليوم بجودة عالية بما فيه الكفاية. بالإضافة إلى ذلك، لم يكن من الممكن تشكيل طبقات النوع p في هذه المادة.
وعلى الرغم من كل هذه الصعوبات، اقتنع أكاساكي من خلال التجارب السابقة بصحة اختيار هذه المادة، واستمر في العمل في هذا الاتجاه مع أمانو الذي كان طالب دكتوراه في جامعة ناغويا. كما اختار الباحث ناكامورا الذي عمل في شركة نيتشيا باسم مايكلز نيتريد الغاليوم، قبل أن ينتقل إلى المادة البديلة سيلينيد الزنك، والتي يعتقد آخرون أنها مادة أفضل لهذا الاستخدام.

دع النور يعبر إلى هناك

في عام 1986، كان أكاساكي وأمانو أول من نجح في تصنيع بلورة نيتريد الغاليوم عالية الجودة عن طريق وضع طبقة من نيتريد الألومنيوم فوق ركيزة من الياقوت وتحضير نيتريد الغاليوم فوق هذا السطح. في أواخر الثمانينات، شارك الباحثون في تحقيق اختراق في إنشاء طبقة من النوع p. وبالصدفة، اكتشف الباحثان أكاساكي وأمانو أن مادتهما تتوهج بشكل أكثر سطوعًا عند فحصها تحت المجهر الإلكتروني الماسح.

تشير هذه الملاحظة إلى أن شعاع الإلكترون المنبعث من المجهر جعل الطبقة p أكثر كفاءة. وفي عام 1992 تمكنوا من تقديم أول صمام ثنائي ينبعث منه ضوء أزرق ساطع.
بدأ ناكامورا في تطوير LED الأزرق الخاص به في عام 1988. وبعد عامين، نجح أيضًا في إنتاج نيتريد الغاليوم عالي الجودة. لقد توصل إلى حيلته البارعة لإنتاج البلورة عن طريق تحضير طبقة رقيقة من نيتريد الغاليوم عند درجة حرارة منخفضة ثم تحضير طبقات إضافية عند درجة حرارة عالية.
كان ناكامورا أيضًا قادرًا على شرح سبب تمكن أكاساكي وأمانو من تكوين الطبقة p: فقد أزال شعاع الإلكترون ذرة الهيدروجين التي حالت دون تكوين الطبقة p. في مختبره، قام ناكامورا بتحويل شعاع الإلكترون بطريقة أبسط وأرخص: عن طريق تسخين المادة، تمكن من إنشاء طبقة p وظيفية في عام 1992. وهكذا، كان حل ناكامورا مختلفًا عن حل أكاساكي وأمانو.

خلال التسعينيات، تمكنت كلتا المجموعتين البحثيتين من تحسين مصابيح LED الزرقاء، مما يجعلها أكثر كفاءة. طور الباحثون سبائك مختلفة من نيتريد الغاليوم باستخدام معادن مثل الألومنيوم والإنديوم، وأصبح الهيكل العام للهاليدات أكثر تعقيدًا.

كما طور الباحثون الثلاثة الليزر الأزرق الذي يعتبر فيه مصباح LED الأزرق، بحجم حبة الرمل، مكونًا رئيسيًا وأساسيًا. على عكس الضوء المنتشر لمصباح LED الأزرق، يصدر الليزر الأزرق شعاعًا ضيقًا للغاية. وبما أن الضوء الأزرق له طول موجي قصير، فيمكن أن ينتقل بشكل أقرب؛ بمساعدة الضوء الأزرق يمكنك تخزين أربعة أضعاف كمية المعلومات مقارنة بمساعدة ضوء الأشعة تحت الحمراء. وسرعان ما أدت هذه الزيادة في سعة التخزين إلى تطوير أقراص Blu-ray التي تسمح بأوقات تشغيل أطول، وكذلك إلى تطوير طابعات ليزر أفضل. تستخدم العديد من المنتجات الكهربائية المنزلية أيضًا تقنية LED. وهي تضيء شاشات الكريستال السائل في شاشات التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة، كما أنها توفر الفلاش والمصباح في الكاميرات.

تستهلك مصابيح LED طاقة أقل لإصدار الضوء مقارنة بمصادر الإضاءة القديمة. يتم قياس الكفاءة بوحدات التدفق الضوئي (التدفق الضوئي، مقاسًا بوحدات اللومن) لكل وحدة من مدخلات الكهرباء (مقاسة بوحدات الواط). يتم تخصيص حوالي ربع استهلاك العالم من الكهرباء لأغراض الإضاءة، وبالتالي تساهم مصابيح LED الموفرة للطاقة للغاية في توفير موارد الطاقة في الأرض.

ثورة مشرقة
أحدثت اختراعات الفائزين بالجوائز ثورة في مجال تقنيات الإضاءة. وحتى اليوم، يقوم العديد من الباحثين بتطوير مصابيح جديدة وفعالة ورخيصة الثمن وأكثر تقدمًا. يمكن إنتاج مصابيح LED البيضاء بطريقتين مختلفتين. إحدى الطرق هي استخدام الضوء الأزرق لتحفيز مادة الفوسفور بحيث تتوهج بالضوء الأحمر والأخضر. عندما تندمج جميع الألوان معًا، يتم إنشاء ضوء أبيض. الطريقة الثانية هي تجميع المصباح من ثلاثة مصابيح LED مختلفة: واحد أحمر، وواحد أخضر، وواحد أزرق، والسماح للعين البشرية بمزج الألوان الثلاثة معًا لتكوين الضوء الأبيض.

لذلك تعتبر مصابيح LED من مصادر الإضاءة المرنة، والتي تستخدم بالفعل في العديد من التطبيقات في مجال الإضاءة - حيث يمكن إنتاج ملايين الأنواع المختلفة من الألوان؛ يمكن تعديل درجات الألوان وكثافتها حسب الحاجة؛ تومض اللوحات الإعلانية بالألوان الكاملة، التي يبلغ حجمها عدة مئات من الأمتار المربعة، وتغير ألوانها وأنماطها - ويمكن التحكم في كل هذا بمساعدة أجهزة الكمبيوتر. إن إمكانية التحكم في نوع الضوء تعني أيضًا أن مصابيح LED يمكن أن تتكيف مع ساعتنا البيولوجية بالإضافة إلى الإضاءة الاصطناعية لزراعة المحاصيل. كما تحمل لمبة LED وعدًا كبيرًا في تحسين نوعية الحياة لأكثر من 1.5 مليار شخص يفتقرون حاليًا إلى الوصول إلى شبكة كهرباء منظمة، في ضوء أن متطلبات الكهرباء المنخفضة توفر إمكانية تشغيل مصابيح LED بمساعدة للطاقة الشمسية المحلية الرخيصة. علاوة على ذلك، يمكن تطهير المياه الملوثة بمساعدة مصابيح LED التي تنبعث منها ضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.