Синий свет из глубин полупроводника

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2014, №11)

Нобелевскую премию по физике 2014 года поделили между собой две группы японских ученых: Исаму Акасаки и его ученик Имано Хироси из Нагойского университета, а также Сюдзи Накамура, начинавший свою деятельность в компании «Нития кемикалс» на острове Сикоку, а ныне профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Их достижение — создание надежно работающих синих светодиодов, с помощью которых можно получить белый свет и обеспечить революцию в освещении.


Светодиод основан на способности полупроводника излучать свет, которую впервые обнаружил в 1923 году О.В.Лосев из Ленинградского физико-технического института: он заметил зеленоватое свечение карборунда при пропускании через образец электрического тока (см. «Химию и жизнь», 1999, № 5—6). Источник света в полупроводнике — рекомбинация электронов и дырок, перетекающих через границу двух полупроводников с разными типами проводимости, вследствие чего их энергия превращается в квант света. Однако из-за неразвитости теории Лосев не смог понять сути явления. Только в 60—70-х годах, когда были отлажены технологии работы с полупроводниками, удалось сделать красные, желтые и желто-зеленые светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия. Их стали использовать как индикаторные огоньки в различных приборах. А с синим светодиодом поймать удачу долго не удавалось.

Первыми фиолетовые и голубые светодиоды из пленки нитрида галлия на подложке из сапфира сделали в 1971 году исследователи из лаборатории компании RCA (Radio Corporation of America) под руководством Жака Панкова, он же Яков-Исаак Евсеевич Панчешников (который, кстати, родился в 1922 году и, по данным Википедии, в 2014 году еще жив). Однако они работали весьма ненадежно из-за несовершенства пленки. Акасаки и его аспирант Хироси в 80-х годах сумели получить неплохую пленку этого нитрида, нанося ее на слой алюминия. Более того, они обнаружили, что после исследования этой пленки в электронном микроскопе она существенно усиливала свечение. Накамура, который шел своим путем, обратил на это внимание. Ему удалось выяснить причину: электронный луч микроскопа сдувал с поверхности пленки водород, который и препятствовал правильной работе полупроводника. В 1992 году Накамура создал надежную технологию получения пленок нитрида галлия хорошего качества. Компания «Нития кемикалс» ее запатентовала и начала производство. Группа Акасаки также добилась надежной работы светодиодов, созданных по их технологии. Сейчас такие светодиоды представляют собой многослойные структуры, где к нитриду галлия подмешаны индий и алюминий. Потом Накамура сделал еще и синий полупроводниковый лазер, который теперь широко используют для записи дисков Blue Ray, и ультрафиолетовый полупроводниковый лазер.


s20141102 cart3.jpg
Исаму Акасаки


s20141102 cart4.jpg
Амано Хироси


Борьба за синий свет была столь упорной отнюдь не случайно. Светодиоды очень эффективно преобразуют электричество в свет, и всем хотелось использовать их для освещения, заменив низкоэффективные лампы накаливания. Однако из красного и зеленого светодиодов белый свет не сделаешь. Для этого нужен синий — тогда белый получится смешением всех трех цветов. Это дорогой способ, но есть и дешевый, которому, однако, тоже нужен синий свет, — применение люминофора. Его свечение вызывают кванты с высокой энергией — а чем более синий свет (то есть, чем меньше его длина волны), тем больше их энергия. В энергосберегающих люминесцентных лампах, например, пары ртути дают и вовсе ультрафиолетовый свет, который затем преобразуется люминофором в белый.

После создания синего светодиода как раз и стало возможным получать белый свет, применяя люминофор. Именно так работают все бытовые светильники, фонари и прочие устройства такого рода, в изобилии представленные на рынке.

Интервью с профессором Накамурой журнал «Химия и жизнь» публиковал восемь лет назад, в октябре 2006 года, по случаю присуждения ему премии «Миллениум», учрежденной Академией наук Финляндии. Сейчас мы повторяем эту публикацию: никто не расскажет о нобелевской работе лучше самого лауреата.

123

Разные разности

07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>
05.05.2020 17:00:00

Смартфон может незаметно передавать секретные сведения посторонним через неучтенную разработчиками прореху на границе между столом и смартфоном. Как же это может быть? Ответ в ходе серии экспериментов получили исследователи из Вашингтонского университета.

>>