Premi Nobel de Física 2014 per inventar una font de llum basada en la llum blava LED

2014/10/07 Lakar Iraizoz, Oihane - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

Els japonesos Isamu Akasaki i Hiroshi Amano i l'estatunidenc d'origen japonès Shuji Nakamura Nobel de Física 2014, segons ha informat la Reial Acadèmia de Ciències de Suècia. Han decidit ser els premis Nobel d'enguany perquè van fer un invent revolucionari. Els tres investigadors van aconseguir elaborar díodes emissors de llum blava, LED blaus, la qual cosa va obrir el camí per a crear llum blanca amb llums de llarga durada i alta eficiència.
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura Ed. Fundació Nobel/Universitat Nagoya/Wikipedia

Els guardonats d'enguany se sumen plenament al que Alfred Nobel va voler aconseguir en la creació dels premis: premiar els invents que més s'han beneficiat de la humanitat. I és que els llums incandescents XX. si van aclarir el segle XXI. el segle LED és el més clar. I en concret dels llums LED que emeten llum blava. Perquè sense llum blava no es poden crear llums blancs.

Van passar tres dècades des de la creació de les primeres llueixes LED fins a la creació dels Leds blaus. En les dècades de 1950 i 1960 diversos grups de recerca van aconseguir crear llueixes LED de diferents longituds d'ona. Quant a la llum visible, per a finals de la dècada de 1960 es fabricaven Leds verds i vermells per fabricants de tot el món, utilitzant com a material base el fosfuro de gal·li (GaP). No obstant això, amb aquest material no aconseguien que l'energia emesa pels electrons fora de la longitud d'ona de la llum blava. De fet, el rang d'energia prohibit que han de superar els electrons per a generar llum blava ha de ser molt elevat.

En definitiva, l'emissió de llum es basa en el fet que els materials semiconductors disposen d'un rang d'energia prohibit entre bandes de valència i bandes de conducció, en el qual no poden existir electrons. Els electrons sobrepassen aquest rang gràcies a una excitació externa i emeten llum en tornar al nivell d'energia original. En el cas de la llum blava, els va costar molt trobar, crear i fer funcionar als científics un material amb aquest gran marge.

Akasaki i Amano d'una banda i Nakamura per un altre

Des del principi van veure que el nitrur de gal·li (GaN) podia ser un bon candidat, i en el laboratori de recerca Philips, per exemple, el van tenir molt en compte a la fi dels anys 50. Però tenien grans dificultats per a fabricar aquest cristall. Molts laboratoris dels Estats Units es van esforçar en la dècada de 1960, però la dificultat per a crear aquest material semblava insuperable. Isamu Akasaki va començar a estudiar GaN en 1974 i en 1981 va reprendre el seu treball amb Hiroshi Amano. Va ser en 1986 quan es va aconseguir produir cristalls GaN d'alta qualitat i bones propietats òptiques. Shuji Nakamura, per part seva, va crear els cristalls adequats d'aquest material per una altra via.

En un següent pas es van superar les dificultats de creació del propi díode LED. D'una banda, van determinar amb quin àtom es va dopar el GaN. Es denomina dopatge a l'addició d'altres àtoms d'impureses al material semiconductor original per a modificar les seves característiques elèctriques. Per exemple, Amano i Akasaki van veure dopat amb àtoms de zinc que emetia més llum el nitrur de gal·li. En aquest camí es considera un pas fonamental l'avanç dels grups de recerca d'Akasaki i Nakamura en la dècada de 1990: Es van formar i van dopar aliatges AlGaN i InGaN. Es consideren imprescindibles perquè a través d'ells es crea l'estructura dels LED blaus.

Els LED actuals es basen en el GaN, però han millorat molt respecte als primers, tant en física de materials com en generació de cristalls, estructures avançades, etc. D'aquesta manera, converteix l'energia elèctrica en llum amb gran eficiència. Per exemple, els llums incandescents proporcionen 16 lúmens per cada watt que reben; els tubs fluorescents 70 i els LED blancs poden aconseguir més de 300.

Eficiència de la mena de llums generats històricament: nombre de plomes emeses per watt consumit. Ed. Il·lustració: copyright Johan Jarnestad/Reial Acadèmia de les Ciències de Suècia

Actualment, en els llums LED, els raigs blaus emesos exciten el fòsfor, convertint així la llum blava en blanca. No obstant això, sembla que en un futur pròxim aquesta tecnologia pot recórrer a la combinació de LED a tres colors. La combinació de Leds vermells, verds i blaus en un mateix dispositiu permet obtenir llum blanca.

Atès que destinem entre un 20% i un 30% del consum total d'energia en il·luminació, i les fonts de llum basades en Leds consumeixen fins a deu vegades menys energia, l'ús de Leds blaus permetrà un important estalvi energètic en benefici de la humanitat.