nagroda nobla w 2014 roku za wynalezienie efektywnej niebieskiej

Listy do redakcji / Letters to Editor
NAGRODA NOBLA W 2014 ROKU
ZA WYNALEZIENIE EFEKTYWNEJ NIEBIESKIEJ
DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ (LED),
KTÓRA MOŻE BYĆ ŹRÓDŁEM JASNEGO
I ENERGOOSZCZĘDNEGO ŚWIATŁA BIAŁEGO
THE 2014 NOBEL PRIZE FOR INVENTING
EFFECTIVE BLUE LIGHT-EMITTING DIODES (LED),
WHICH CAN BE A SOURCE OF WHITE
ENERGY-SAVING LIGHT
Marta Rogowska*
Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki,
Katedra Inżynierii Biomedycznej, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27
* e-mail: [email protected]
STRESZCZENIE
W 2014 roku nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki zostali uhonorowani dwaj Japończycy Isamu Akasaki
i Hiroshi Amano oraz Amerykanin o japońskim pochodzeniu Shuji Nakamura za wynalezienie efektywnej
niebieskiej diody elektroluminescencyjnej (LED), która może być źródłem jasnego i energooszczędnego światła
białego. W niniejszym artykule opisano drogę, jaką musieli pokonać naukowcy, aby dokonać tego odkrycia oraz
przedstawiono sylwetki noblistów. Ponadto omówiono działanie takiej diody, a także wskazano, jakie znaczenie
ma wynalezienie efektywnej niebieskiej diody w życiu codziennym i medycynie.
Słowa kluczowe: Nagroda Nobla, fizyka, niebieska dioda elektroluminescencyjna
ABSTRACT
The 2014 Nobel Prize in Physics was awarded to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, and Shuji Nakamura for
the invention of efficient blue light-emitting diodes (LED) which has enabled bright and energy-saving white
light sources. This article describes the way to this discovery and presents profiles of Nobel Prize winners.
Furthermore, the principle of LED operation was presented. In the summary, the importance of the blue LED
invention in everyday life and medicine was described.
Keywords: Nobel Prize, Physics, blue light-emitting diode
Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 2, 2015
136
Listy do redakcji / Letters to Editor
1. Wstęp
Przeszkodą w szerokim stosowaniu diod elektroluminescencyjnych (LED) już w latach 60-tych XX
wieku był brak możliwości produkcji diod LED emitujących światło białe. Jednym z dwóch sposobów
otrzymania białego światła jest złożenie trzech barw podstawowych: czerwonego, zielonego
i niebieskiego [1]. O ile czerwone i zielone diody pojawiły się już dość dawno, to w przypadku
niebieskich naukowcy wciąż napotykali na problem doboru odpowiedniego materiału półprzewodnika.
To właśnie tegoroczni laureaci na początku lat 90-tych pokonali tę barierę, tym samym rozpoczynając
prawdziwą rewolucję [2]. W konsekwencji pojawiły się nie tylko nowocześniejsze, bardziej oszczędne
lampy, ale też doskonalsze ekrany. Dziś, 20 lat później, tak zwane LED-owe oświetlenie stało się dla
nas codziennością.
Rys. 1. Sylwetki laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku [2].
Na rysunku 1 przedstawiono sylwetki trzech laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki
przyznanej w 2014 roku. Zarówno Isamu Akasaki, jak i Hiroshi Amano są obecnie profesorami na
Uniwersytecie w Nagoji. W dniu ogłoszenia decyzji Komitetu Noblowskiego pierwszy z nich miał
85 lat, natomiast drugi 54 lata. Ostatni z noblistów, Shuji Nakamura obecnie pracuje na Uniwersytecie
Kalifornijskim, a w dniu przyznania nagrody miał 60 lat [3, 4, 5].
2. Wynalezienie efektywnej niebieskiej diody elektroluminescencyjnej (LED)
Diody elektroluminescencyjne świecą dzięki zjawisku rekombinacji nośników ładunku elektrycznego
w półprzewodniku (elektronów i dziur). Zbudowane są z dwóch warstw odmiennie domieszkowanego
półprzewodnika, tworzących razem złącze p-n. Elektron przechodzący w złączu p-n od katody (n)
do anody (p) zmienia swój poziom energetyczny na niższy. Różnica energii uwalniana jest jako kwant
światła – foton. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu – od anody do
katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny). W zależności od użytych do budowy
półprzewodnika materiałów, uwalniany foton może mieć różną energię, a tym samym inną barwę
światła [6].
W 1962 roku istniały już diody półprzewodnikowe świecące na czerwono i zielono, ale nikomu nie
udało się stworzyć takiej, która w sposób wydajny świeciłaby na niebiesko. Bardzo szybko zauważono
problem i rozpoczęto pracę nad niebieską diodą LED, a dokładniej nad półprzewodnikiem, który
umożliwiłby emisję światła o długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej. Największe firmy takie
jak Sony czy Xerox postawiły na selenek cynku (ZnSe), który początkowo wydawał się być najlepszy.
Nieliczni naukowcy skupiali swoje prace wokół azotku galu (GaN). W roku 1986 japońscy
profesorowie Akasaki i Amano, dokonali przełomu, ponieważ opracowali technikę wzrostu większych
kryształów niż dotychczas osiągane dla GaN [7]. W 1990 roku ostatecznego przełomu dokonał
pracujący dla małej japońskiej firmy Nichia Chemicals Shuji Nakamura, a mianowicie opracował on
technikę, która manipuluje temperaturą wzrostu kryształu, co zaowocowało w łatwej produkcji
Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 2, 2015
137
Listy do redakcji / Letters to Editor
kryształów azotku galu. W 1994 roku pierwszą jasności niebieska dioda zaprezentował Shuji
Nakamura, była ona oparta na InGaN [8]. Jak przyznał sam Nakamura, warunki, w których musiał
pracować, były bardzo trudne, ale to właśnie one skłoniły go do większej kreatywności. Na rysunku 2
przedstawiono schemat budowy niebieskiej diody LED, która powstała dzięki wieloletnim badaniom
noblistów.
Rys. 2. Schemat budowy niebieskiej diody LED [9].
3. Sylwetki noblistów
Profesor Isamu Akasaki urodził się 30 stycznia 1929 roku w prefekturze Kagoshima w Japonii.
W 1952 roku ukończył uniwersytet w Kioto, a 12 lat później obronił doktorat z elektroniki na Nagoya
University. W latach 60-tych ubiegłego stulecia rozpoczął prace nad niebieskimi LED-ami bazującymi
na azotku galu, GaN. Krok po kroku, uzyskiwał znaczną poprawę jakości wzrostu warstw GaN, aby
ostatecznie za najefektywniejszą uznać metodę epitaksji metaloorganicznej z fazy gazowej (ang.
metaloorganic vapor phase epitaxy, MOVPE) [7, 10]. Osiem lat temu w Nagoi otwarto założony
przez niego instytut, a koszty jego organizacji pokryły częściowo wpływy z przyznanych uczonemu
patentów. Można tam znaleźć m.in. galerię LED-ów pokazującą postępy prac na tym wynalazkiem.
Wcześniej za swe osiągnięcia prof. Akasaki otrzymał m.in. nagrodę Kioto oraz medal Edisona
przyznawany przez IEEE – największą światową organizację zrzeszającą inżynierów. W swoim
dorobku posiada 115 opublikowanych prac, a jego indeks Hirscha wynosi 17.
Japoński fizyk Hiroshi Amano urodził się 11 września 1960 roku w Hamamatsu w Japonii. W 1982
roku dołączył do zespołu prof. Akasaki. Ukończył studia doktoranckie na Nagoya University, gdzie
był również pracownikiem naukowym w latach 1988–1992. Od 1992 roku pracował w Meijo
University gdzie był adiunktem. W latach 1998–2002 był profesorem nadzwyczajnym na tejże
uczelni, a w 2002 został profesorem. Od 2010 roku jest profesorem na Nagoya University. Przed
otrzymaniem Nobla został m.in. laureatem nagrody IEEE/LEOS za osiągnięcia w inżynierii. W swoim
dorobku posiada 197 opublikowanych prac, a jego indeks Hirscha wynosi 19 [7, 10].
Amerykanin, japońskiego pochodzenia, Shuji Nakamura urodził się 22 maja 1954 roku w Ikacie.
Od 1999 roku jest profesorem inżynierii na University of California w Santa Barbara w USA, swój
doktorat obronił w 1994 r., w wieku 40 lat. Jest pionierem w zakresie badań nad technologią
półprzewodników wytwarzających światło w tym między innymi nad niebieskimi LED-ami [11, 12].
Miał również nieoceniony wkład w stworzenie pierwszego niebieskiego lasera używanego
w urządzeniach Blu-ray i HD DVD. Za swoją pracę został nagrodzony między innymi: Carl Zeiss
Research Award w 2000 roku i Takeda Award w 2002 roku. W 2007 roku otrzymał Nagrodę im. prof.
Jana Czochralskiego przyznaną mu przez European Materials Research Society i z tej okazji gościł
w Polsce. W swoim dorobku posiada 268 opublikowanych prac, a jego indeks Hirscha wynosi 40.
Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 2, 2015
138
Listy do redakcji / Letters to Editor
4. Podsumowanie
Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki świetnie wpisuje się w ideę przyznawania jej za
odkrycia o największym pożytku dla ludzkości. Korzyść z odkrycia japońskich naukowców odniosą
zarówno bogaci, jak i biedni, kraje uprzemysłowione, ale także te, które zaliczamy do trzeciego
świata. Przede wszystkim w konsekwencji wynalezienia niebieskiej diody LED powstały bardzo
energooszczędne i wydajne źródła światła białego (takiego, jakie stosujemy w domach i na ulicach).
Ponadto warto nadmienić, że obecnie żarówka powstała w technologii LED może działać przez 30 lat,
a także potrzebuje około 20 razy mniej energii, niż tradycyjne żarówki. Jednak technologia LED
przyniosła współczesnemu człowiekowi dużo więcej korzyści, jak na przykład:

Usprawnienia w infrastrukturze miast: światło LED (także dzięki bardzo kompaktowej
budowie) rewolucjonizuje technologię oświetlania miast; umożliwia bezpieczniejszą jazdę na
dobrze i tanio oświetlonych drogach; reszcie pozwoli zużyć o wiele mniej energii.

Rozwój krajów trzeciego świata: diody LED stanowią wydajne źródła światła, które można
zasilić za pomocą ogniw słonecznych, co z kolei pozwala stosować je w miejscach, gdzie nie
ma rozbudowanych sieci energetycznych, np. w krajach słabo rozwiniętych.

Postęp multimedialny: dzięki niebieskim diodom możliwe stało się zastąpienie płyt CD
płytami DVD, a te obecnie technologią Blu-ray.

Bardzo wydajne przechowywanie danych: technologia LED sprawiła, iż stało się możliwe
stworzenie ekranów OLED, które stanowią o sukcesie dzisiejszych smartfonów. Duże ekrany,
o soczystych kolorach, w dodatku na tyle wydajne, że nie musimy doładowywać baterii
smartfonów co kilka godzin – stały się możliwe dzięki odkryciu trzech japońskich fizyków.

Zastosowania w medycynie: lekko modyfikując technologię uzyskiwania światła niebieskiego,
możemy wytworzyć światło ultrafioletowe. Jest ono świetnym sterylizatorem, np. wody pitnej
w miejscach, gdzie nie dotrze wielka infrastruktura krajów uprzemysłowionych.
Członkowie Komitetu Noblowskiego tak napisali o swojej decyzji: „Ich wynalazki były rewolucyjne.
Żarówki oświetlały wiek XX; wiek XXI oświetlą diody LED”.
LITERATURA
[1]
J.H. Wold, A. Valberg: The derivation of xyz tristimulus spaces: A comparison of two alternative methods, Color
Research & Application, vol. 26(S1), 2001, 222–224.
[2] Ogłoszenie decyzji Komitetu Noblowskiego o przyznaniu Nagrody Nobla z fizyki w roku 2014.
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/
[3] Informacje o nobliście Isamu Akasaki opracowane przez Komitet Noblowski
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/akasaki-facts.html
[4] Informacje o nobliście Hiroshi Amano opracowane przez Komitet Noblowski
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/amano-facts.html
[5] Informacje o nobliście Shuji Nakamurze opracowane przez Komitet Noblowski
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/nakamura-facts.html
[6] E.F. Schubert, T. Gessmann, J.K. Kim: Light emitting diodes, John Wiley & Sons, 2005.
[7] H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki, Y. Toyoda: Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film
using an AlN buffer layer, Applied Physics Letters, vol. 48 (5), 1986, 353–355.
[8] S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh: Candela-Class High-Brightness InGaN/AlGaN Double-Heterostructure Blue-LightEmitting-Diodes, Applied Physics Letters, vol. 64 (13), 1994.
[9] http://www.technology4change.com/article.jsp?id=558 (dostęp na 14.12.2015).
[10] H. Amano, I. Akasaki, T. Kozawa, K. Hiramatsu, N. Sawaki, K. Ikeda, Y. Ishii: Electron Beam Effects on Blue
Luminescence of Zinc-Doped GaN, Journal of Luminescence, vol. 121, 1988, 40–41.
[11] S. Nakamura, G. Fasol, S.J. Pearton: The Blue Laser Diode: The Complete Story, Springer Verlag, 2000.
[12] I. Naruhito, M. Takashi, S. Nakamura: Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device,
US Patent 5578839, 1996.
otrzymano / submitted: 09.02.2015
zaakceptowano / accepted: 20.03.2015
Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 21, nr 2, 2015
139