Japoński noblista na WAT. Niebieskie lasery a azotek galu [RELACJA]

Temat wykładu „The Invention of High Efficient Blue LED and Future Solid State Lighting” nawiązuje do całego cyklu badań prowadzonych przez profesora Nakamurę, a związanych z wykorzystaniem związków azotku galu (GaN) do stworzenia pierwszej diody Light Emitted Diode (LED) wysokiej jasności świecącej na niebiesko czy powstania pierwszego na świecie niebieskiego lasera półprzewodnikowego pracującego w trybie ciągłym (opartego o diodę laserową także zbudowaną na bazie azotków). 

Właśnie te badania i odkrycia umożliwiły skonstruowanie jasnych, energooszczędnych i wydajnych źródeł światła, a niebieskie lasery znalazły zastosowanie w medycynie (wykrywanie nowotworów). Użycie technologii nowego lasera pozwala na „zagęszczenie” zapisu danych na nośnikach optycznych używanych m.in. w urządzeniach Blu-ray i HD DVD, ale też w drukowaniu i kopiowaniu.  

Pierwsze prace nad stworzeniem diody LED wysokiej jasności świecącej na niebiesko prowadzone były już w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, jednak wówczas badania napotkały na wiele problemów, głownie trudności z uzyskaniem GaN typu p. Zajmujące się badaniami placówki naukowe stosowały też materiały na bazie selenu czy cynku (ZnSe lub też GaAs). Wówczas to powstała opinia, że takie diody nie będą mieć żadnego praktycznego zastosowania, a sam proces ich opracowania będzie skomplikowany technicznie i bardzo kosztowny. 

Realizująca takie badania firma Nichia Corporation wobec powyższego zrezygnowała z dalszych prac a pracujący w niej Nakamura podjął się realizacji programu na własną rękę.

W tym czasie profesorowie Isamu Akasaki i Hiroshi Amano uzyskali co prawda materiał typu p bombardując elektronami GaN domieszkowany magnezem, ale była to metoda laboratoryjna, niemożliwa do zastosowania w masowej produkcji.

Nakamura dokładnie przeanalizował całkowitą istotę zachodzącego zjawiska i zaproponował dające podobny efekt wygrzewanie w temperaturze 400^oC, co pozwalało na oczyszczenie GaN z domieszki wodoru (H₂). W procesie badawczym odkrył, że GaN, którego niebieskie światło przekształcone na żółtą powłoką fosforanową, jest rozwiązaniem pozwalającym w konsekwencji do uzyskania białego oświetlenia LED. Jego osiągniecie uważane jest za jedno z najważniejszych w obszarze badań i wykorzystania półprzewodników w ciągu ostatnich 30 latach. W roku 1993 udało się stworzyć diodę emitującą niebieskie światło (opartą na półprzewodnikach na bazie azotków galu, indu i aluminium), za którą wraz z profesorami Isamu Akasaki i Hiroshi Amano został w 2014 roku laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

Jednym z celów badań w tej dziedzinie było otrzymanie wydajnego i ekonomicznego źródła światła białego, mogącego znaleźć powszechne zastosowanie. Światło białe jest mieszanką czerwonego, zielonego i niebieskiego, a same diody LED emitujące światło czerwone i zielone znane były wcześniej. Ale skonstruowanie diod świecących na niebiesko okazało się dużo większym wyzwaniem, a bez nich białe lampy nie mogły by zostać uzyskane. Fundamentalne odkrycie niebieskiej diody LED było wyzwaniem dla wielu naukowców przez ponad trzy dekady. Efekt wynalazku to m.in. zastosowanie w odtwarzaczach dysków Blu-Ray czy białe żarówki LED o 25-krotnie dłuższej trwałości niż tradycyjne i emitujące światło o jasności ponad 100 razy intensywniejszej (tańsza i efektywniejsza alternatywa). Ocenia się, że koszt użycia lampki nocnej z LED-owym źródłem światła i zasilaniem solarno-bateryjnym to średnio ok. 3 USD na rok pracy takiego urządzenia. Według prognoz od 2020 roku w USA dzięki takiej technologii będzie możliwe uzyskanie 19-krotnego zmniejszenia zużycia niezbędnej energii (w Japonii 7-krotne, a w Niemczech 3-krotne). 

Powszechnie stosowane LED zbudowane w oparciu o kryształy GaN umieszczone są na szafirze lub węgliku krzemu. Metoda profesora Nakamury pozwala na użycie GaN na GaN, co daje efekt intensywniejszego światła (oświetlenie LED GaN-on-GaN).

Najnowsze projekty to niebiesko-fioletowa dioda LED i diody LED o bliskim zeru zużyciu energii.

Obecnie najnowsze technologie z dziedziny systemów informatycznych i elektronicznych coraz częściej wykorzystują światło do przesyłania, przechowywania i przetwarzania danych, a technologia samych laserów używanych w tych urządzeniach stała się bardzo ważna. Niebieskie światło ma mniejszą długość fali, a z tym i mniejszą szerokość dla skupionej wiązki światła, w której przenoszone dane mogą być gęściej upakowane.

Nowe źródło światła spowodowało rewolucję w elektronice i oświetleniu, a nową technologię zastosowały takie firmy jak Sony, Samsung, Toshiba, Audi czy BMW. 

Profesor Shuji Nakamura jest też laureatem wielu innych nagród, w tym Nishina Memorial Award (1996), Materials Research Society Medal Award (1997), Institute of Electrical and Electronics Engineers Jack A. Morton Award, British Rank Prize (1998), Benjamin Franklin Medal Award (2002), Millennium Technology Prize (2006) oraz Nagrody im. Jana Czochralskiego (2007), Nagrody Księcia Asturii (2008), The Harvey Award (2009), Technology & Engineering Emmy Award (2012). W roku 2003 został członkiem US National Academy of Engineering.

Obecnie japoński badacz jest profesorem na uniwersytecie w Santa Barbara w USA i autorem ponad 550 publikacji naukowych. Posiada ponad 200 patentów amerykańskich i ponad 300 japońskich.

Realizacja cyklicznych spotkań w ramach programu „Nobliści” daje możliwość zdobycia czy wręcz poszerzenia wiedzy oraz zapoznania się ze światowymi osiągnięciami naukowymi z wymianą doświadczeń i własnych osiągnięć polskich placówek naukowych. Defence24.pl objął wykład prof. Nakamury patronatem medialnym.

Jak w większości podkreślają zaproszeni na wykłady laureaci Nobla w różnych dziedzinach, ich dokonania to połączenie teorii i praktyki, ciągłych badań, ale przede wszystkim uporu w dążeniu do celu.