Premio Nobel de Física 2014 por inventar una fuente de luz basada en la luz azul LED

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

Los japoneses Isamu Akasaki e Hiroshi Amano y el estadounidense de origen japonés Shuji Nakamura Nobel de Física 2014, según ha informado la Real Academia de Ciencias de Suecia. Han decidido ser los premios Nobel de este año porque hicieron un invento revolucionario. Los tres investigadores lograron elaborar diodos emisores de luz azul, LED azules, lo que abrió el camino para crear luz blanca con lámparas de larga duración y alta eficiencia.
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura Ed. Fundación Nobel/Universidad Nagoya/Wikipedia

Los galardonados de este año se suman plenamente a lo que Alfred Nobel quiso conseguir en la creación de los premios: premiar los inventos que más se han beneficiado de la humanidad. Y es que las lámparas incandescentes XX. si aclararon el siglo XXI. el siglo LED es el más claro. Y en concreto de las lámparas LED que emiten luz azul. Porque sin luz azul no se pueden crear lámparas blancas.

Pasaron tres décadas desde la creación de las primeras luces LED hasta la creación de los LEDs azules. En las décadas de 1950 y 1960 varios grupos de investigación lograron crear luces LED de diferentes longitudes de onda. En cuanto a la luz visible, para finales de la década de 1960 se fabricaban LEDs verdes y rojos por fabricantes de todo el mundo, utilizando como material base el fosfuro de galio (GaP). Sin embargo, con este material no conseguían que la energía emitida por los electrones fuera de la longitud de onda de la luz azul. De hecho, el rango de energía prohibido que deben superar los electrones para generar luz azul debe ser muy elevado.

En definitiva, la emisión de luz se basa en que los materiales semiconductores disponen de un rango de energía prohibido entre bandas de valencia y bandas de conducción, en el que no pueden existir electrones. Los electrones sobrepasan este rango gracias a una excitación externa y emiten luz al volver al nivel de energía original. En el caso de la luz azul, les costó mucho encontrar, crear y hacer funcionar a los científicos un material con ese gran margen.

Akasaki y Amano por un lado y Nakamura por otro

Desde el principio vieron que el nitruro de galio (GaN) podía ser un buen candidato, y en el laboratorio de investigación Philips, por ejemplo, lo tuvieron muy en cuenta a finales de los años 50. Pero tenían grandes dificultades para fabricar este cristal. Muchos laboratorios de Estados Unidos se esforzaron en la década de 1960, pero la dificultad para crear este material parecía insuperable. Isamu Akasaki comenzó a estudiar GaN en 1974 y en 1981 reanudó su trabajo con Hiroshi Amano. Fue en 1986 cuando se consiguió producir cristales GaN de alta calidad y buenas propiedades ópticas. Shuji Nakamura, por su parte, creó los cristales adecuados de este material por otra vía.

En un siguiente paso se superaron las dificultades de creación del propio diodo LED. Por un lado, determinaron con qué átomo se dopó el GaN. Se denomina dopaje a la adición de otros átomos de impurezas al material semiconductor original para modificar sus características eléctricas. Por ejemplo, Amano y Akasaki vieron dopado con átomos de zinc que emitía más luz el nitruro de galio. En este camino se considera un paso fundamental el avance de los grupos de investigación de Akasaki y Nakamura en la década de 1990: Se formaron y doparon aleaciones AlGaN e InGaN. Se consideran imprescindibles porque a través de ellos se crea la estructura de los LED azules.

Los LED actuales se basan en el GaN, pero han mejorado mucho respecto a los primeros, tanto en física de materiales como en generación de cristales, estructuras avanzadas, etc. De este modo, convierte la energía eléctrica en luz con gran eficiencia. Por ejemplo, las lámparas incandescentes proporcionan 16 lúmenes por cada vatio que reciben; los tubos fluorescentes 70 y los LED blancos pueden alcanzar más de 300.

Eficiencia del tipo de lámparas generadas históricamente: número de plumas emitidas por vatio consumido. Ed. Ilustración: copyright Johan Jarnestad/Real Academia de las Ciencias de Suecia

Actualmente, en las lámparas LED, los rayos azules emitidos excitan el fósforo, convirtiendo así la luz azul en blanca. Sin embargo, parece que en un futuro próximo esta tecnología puede recurrir a la combinación de LED a tres colores. La combinación de LEDs rojos, verdes y azules en un mismo dispositivo permite obtener luz blanca.

Dado que destinamos entre un 20% y un 30% del consumo total de energía en iluminación, y las fuentes de luz basadas en LEDs consumen hasta diez veces menos energía, el uso de LEDs azules permitirá un importante ahorro energético en beneficio de la humanidad.