Prix Nobel de physique 2014 pour avoir inventé une source de lumière basée sur la lumière bleue LED

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

Les japonais Isamu Akasaki et Hiroshi Amano et l'américain d'origine japonaise Shuji Nakamura Nobel de physique 2014, tel que rapporté par la Royal Sweden Academy of Sciences. Ils ont décidé d'être les prix Nobel de cette année parce qu'ils ont fait une invention révolutionnaire. Les trois chercheurs ont réussi à élaborer des diodes émettrices de lumière bleue, LED bleues, ce qui a ouvert la voie à la création de lumière blanche avec des lampes de longue durée et haute efficacité.
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura Ed. Fondation Nobel/Université Nagoya/Wikipedia

Les lauréats de cette année s'ajoutent pleinement à ce qu'Alfred Nobel a voulu obtenir dans la création des prix : récompenser les inventions qui ont le plus bénéficié de l'humanité. Et c'est que les lampes à incandescence XX. si elles ont éclairci le 21ème siècle. le siècle LED est le plus clair. Et en particulier des lampes LED qui émettent de la lumière bleue. Parce que sans lumière bleue, vous ne pouvez pas créer des lampes blanches.

Trois décennies se sont écoulées depuis la création des premières lumières LED jusqu'à la création des LED bleues. Dans les années 1950 et 1960, plusieurs groupes de recherche ont réussi à créer des lumières LED de différentes longueurs d'onde. En ce qui concerne la lumière visible, à la fin des années 1960, des LEDs vertes et rouges étaient fabriquées par des fabricants du monde entier, utilisant comme matériau de base le phosphure de gallium (GaP). Cependant, avec ce matériel ils n'ont pas obtenu que l'énergie émise par des électrons hors de la longueur d'onde de la lumière bleue. En fait, la gamme d'énergie interdite qui doit dépasser les électrons pour produire de la lumière bleue doit être très élevée.

En définitive, l'émission de lumière est basée sur le fait que les matériaux semi-conducteurs disposent d'une gamme d'énergie interdite entre bandes de valence et bandes de conduite, dans laquelle il ne peut y avoir d'électrons. Les électrons dépassent cette gamme grâce à une excitation externe et émettent de la lumière en retournant au niveau d'énergie d'origine. Dans le cas de la lumière bleue, il leur a fallu beaucoup trouver, créer et faire fonctionner aux scientifiques un matériau avec cette grande marge.

Akasaki et Amano d'un côté et Nakamura de l'autre

Dès le début, ils ont vu que le nitrure de gallium (GaN) pouvait être un bon candidat, et dans le laboratoire de recherche Philips, par exemple, ils ont pris très en considération à la fin des années 50. Mais ils avaient de grandes difficultés à fabriquer ce verre. De nombreux laboratoires américains se sont efforcés dans les années 1960, mais la difficulté à créer ce matériel semblait insurmontable. Isamu Akasaki a commencé à étudier GaN en 1974 et a repris son travail avec Hiroshi Amano en 1981. C'est en 1986 qu'on a réussi à produire des cristaux GaN de haute qualité et de bonnes propriétés optiques. Shuji Nakamura, quant à lui, a créé les bons cristaux de ce matériau par une autre voie.

Dans une prochaine étape, les difficultés de création de la diode LED elle-même ont été surmontées. D'une part, ils ont déterminé avec quel atome le GaN a été dopé. On appelle dopage l'ajout d'autres atomes d'impuretés au matériau semi-conducteur d'origine pour modifier ses caractéristiques électriques. Par exemple, Amano et Akasaki ont vu dopé avec des atomes de zinc émettant plus de lumière le nitrure de gallium. La progression des groupes de recherche d’Akasaki et de Nakamura dans les années 1990 est considérée comme une étape fondamentale: Des alliages AlGaN et InGaN ont été formés. Ils sont considérés comme indispensables parce qu'à travers eux la structure des LED bleues est créée.

Les LED actuelles sont basées sur la GaN, mais elles se sont beaucoup améliorées par rapport aux premières, tant en physique des matériaux que en génération de cristaux, structures avancées, etc. Ainsi, il convertit l'énergie électrique en lumière avec une grande efficacité. Par exemple, les lampes incandescentes fournissent 16 lumens par watt qu'elles reçoivent ; les tubes fluorescents 70 et les LED blanches peuvent atteindre plus de 300.

Efficacité du type de lampes générées historiquement: nombre de plumes émises par watt consommé. Ed. Illustration: copyright Johan Jarnestad/Real Academia de las Ciencias de Suède

Actuellement, dans les lampes LED, les rayons bleus émis excitent le phosphore, transformant ainsi la lumière bleue en lumière blanche. Cependant, il semble que dans un proche avenir cette technologie peut recourir à la combinaison de LED à trois couleurs. La combinaison de LED rouges, vertes et bleues sur un même appareil permet d'obtenir une lumière blanche.

Étant donné que nous destinons entre 20% et 30% de la consommation totale d'énergie dans l'éclairage, et que les sources lumineuses LED consomment jusqu'à dix fois moins d'énergie, l'utilisation de LED bleues permettra des économies d'énergie importantes au profit de l'humanité.