Premio Nobel de Física 2014 por inventar una fonte de luz baseada na luz azul LED

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

Os xaponeses Isamu Akasaki e Hiroshi Amano e o estadounidense de orixe xaponesa Shuji Nakamura Nobel de Física 2014, segundo informou a Real Academia de Ciencias de Suecia. Decidiron ser os premios Nobel deste ano porque fixeron un invento revolucionario. O tres investigadores lograron elaborar diodos emisores de luz azul, LED azuis, o que abriu o camiño paira crear luz branca con lámpadas de longa duración e alta eficiencia.
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura Ed. Fundación Nobel/Universidade Nagoya/Wikipedia

Os galardoados deste ano súmanse plenamente ao que Alfred Nobel quixo conseguir na creación dos premios: premiar os inventos que máis se beneficiaron da humanidade. E é que as lámpadas incandescentes XX. si aclararon o século XXI. o século LED é o máis claro. E en concreto das lámpadas LED que emiten luz azul. Porque sen luz azul non se poden crear lámpadas brancas.

Pasaron tres décadas desde a creación das primeiras luces LED até a creación dos LEDs azuis. Nas décadas de 1950 e 1960 varios grupos de investigación lograron crear luces LED de diferentes lonxitudes de onda. En canto á luz visible, paira finais da década de 1960 fabricábanse LEDs verdes e vermellos por fabricantes de todo o mundo, utilizando como material base o fosfuro de galio (GaP). Con todo, con este material non conseguían que a enerxía emitida polos electróns fóra da lonxitude de onda da luz azul. De feito, o rango de enerxía prohibido que deben superar os electróns paira xerar luz azul debe ser moi elevado.

En definitiva, a emisión de luz baséase en que os materiais semiconductores dispoñen dun rango de enerxía prohibido entre bandas de valencia e bandas de condución, no que non poden existir electróns. Os electróns exceden este rango grazas a una excitación externa e emiten luz ao volver ao nivel de enerxía orixinal. No caso da luz azul, custoulles moito atopar, crear e facer funcionar aos científicos un material con esa gran marxe.

Akasaki e Amano por unha banda e Nakamura por outro

Desde o principio viron que o nitruro de galio (GaN) podía ser un bo candidato, e no laboratorio de investigación Philips, por exemplo, tivérono moi en conta a finais dos anos 50. Pero tiñan grandes dificultades paira fabricar este cristal. Moitos laboratorios de Estados Unidos esforzáronse na década de 1960, pero a dificultade paira crear este material parecía insuperable. Isamu Akasaki comezou a estudar GaN en 1974 e en 1981 renovou o seu traballo con Hiroshi Amano. Foi en 1986 cando se conseguiu producir cristais GaN de alta calidade e boas propiedades ópticas. Shuji Nakamura, pola súa banda, creou os cristais adecuados deste material por outra vía.

Nun seguinte paso superáronse as dificultades de creación do propio diodo LED. Por unha banda, determinaron con que átomo dopouse o GaN. Denomínase dopaxe á adición doutros átomos de impurezas ao material semiconductor orixinal paira modificar as súas características eléctricas. Por exemplo, Amano e Akasaki viron dopado con átomos de zinc que emitía máis luz o nitruro de galio. Neste camiño considérase un paso fundamental o avance dos grupos de investigación de Akasaki e Nakamura na década de 1990: Formáronse e doparon aliaxes AlGaN e InGaN. Considéranse imprescindibles porque a través deles créase a estrutura dos LED azuis.

Os LED actuais baséanse no GaN, pero melloraron moito respecto dos primeiros, tanto en física de materiais como en xeración de cristais, estruturas avanzadas, etc. Deste xeito, converte a enerxía eléctrica en luz con gran eficiencia. Por exemplo, as lámpadas incandescentes proporcionan 16 lúmenes por cada watt que reciben; os tubos fluorescentes 70 e os LED brancos poden alcanzar máis de 300.

Eficiencia do tipo de lámpadas xeradas historicamente: número de plumas emitidas por watt consumido. Ed. Ilustración: copyright Johan Jarnestad/Real Academia das Ciencias de Suecia

Actualmente, nas lámpadas LED, os raios azuis emitidos excitan o fósforo, convertendo así a luz azul en branca. Con todo, parece que nun futuro próximo esta tecnoloxía pode recorrer á combinación de LED a tres cores. A combinación de LEDs vermellos, verdes e azuis nun mesmo dispositivo permite obter luz branca.

Dado que destinamos entre un 20% e un 30% do consumo total de enerxía en iluminación, e as fontes de luz baseadas en LEDs consumen até dez veces menos enerxía, o uso de LEDs azuis permitirá un importante aforro enerxético en beneficio da humanidade.