Синий свет из глубин полупроводника

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2014, №11)

Нобелевскую премию по физике 2014 года поделили между собой две группы японских ученых: Исаму Акасаки и его ученик Имано Хироси из Нагойского университета, а также Сюдзи Накамура, начинавший свою деятельность в компании «Нития кемикалс» на острове Сикоку, а ныне профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Их достижение — создание надежно работающих синих светодиодов, с помощью которых можно получить белый свет и обеспечить революцию в освещении.


Светодиод основан на способности полупроводника излучать свет, которую впервые обнаружил в 1923 году О.В.Лосев из Ленинградского физико-технического института: он заметил зеленоватое свечение карборунда при пропускании через образец электрического тока (см. «Химию и жизнь», 1999, № 5—6). Источник света в полупроводнике — рекомбинация электронов и дырок, перетекающих через границу двух полупроводников с разными типами проводимости, вследствие чего их энергия превращается в квант света. Однако из-за неразвитости теории Лосев не смог понять сути явления. Только в 60—70-х годах, когда были отлажены технологии работы с полупроводниками, удалось сделать красные, желтые и желто-зеленые светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия. Их стали использовать как индикаторные огоньки в различных приборах. А с синим светодиодом поймать удачу долго не удавалось.

Первыми фиолетовые и голубые светодиоды из пленки нитрида галлия на подложке из сапфира сделали в 1971 году исследователи из лаборатории компании RCA (Radio Corporation of America) под руководством Жака Панкова, он же Яков-Исаак Евсеевич Панчешников (который, кстати, родился в 1922 году и, по данным Википедии, в 2014 году еще жив). Однако они работали весьма ненадежно из-за несовершенства пленки. Акасаки и его аспирант Хироси в 80-х годах сумели получить неплохую пленку этого нитрида, нанося ее на слой алюминия. Более того, они обнаружили, что после исследования этой пленки в электронном микроскопе она существенно усиливала свечение. Накамура, который шел своим путем, обратил на это внимание. Ему удалось выяснить причину: электронный луч микроскопа сдувал с поверхности пленки водород, который и препятствовал правильной работе полупроводника. В 1992 году Накамура создал надежную технологию получения пленок нитрида галлия хорошего качества. Компания «Нития кемикалс» ее запатентовала и начала производство. Группа Акасаки также добилась надежной работы светодиодов, созданных по их технологии. Сейчас такие светодиоды представляют собой многослойные структуры, где к нитриду галлия подмешаны индий и алюминий. Потом Накамура сделал еще и синий полупроводниковый лазер, который теперь широко используют для записи дисков Blue Ray, и ультрафиолетовый полупроводниковый лазер.


s20141102 cart3.jpg
Исаму Акасаки


s20141102 cart4.jpg
Амано Хироси


Борьба за синий свет была столь упорной отнюдь не случайно. Светодиоды очень эффективно преобразуют электричество в свет, и всем хотелось использовать их для освещения, заменив низкоэффективные лампы накаливания. Однако из красного и зеленого светодиодов белый свет не сделаешь. Для этого нужен синий — тогда белый получится смешением всех трех цветов. Это дорогой способ, но есть и дешевый, которому, однако, тоже нужен синий свет, — применение люминофора. Его свечение вызывают кванты с высокой энергией — а чем более синий свет (то есть, чем меньше его длина волны), тем больше их энергия. В энергосберегающих люминесцентных лампах, например, пары ртути дают и вовсе ультрафиолетовый свет, который затем преобразуется люминофором в белый.

После создания синего светодиода как раз и стало возможным получать белый свет, применяя люминофор. Именно так работают все бытовые светильники, фонари и прочие устройства такого рода, в изобилии представленные на рынке.

Интервью с профессором Накамурой журнал «Химия и жизнь» публиковал восемь лет назад, в октябре 2006 года, по случаю присуждения ему премии «Миллениум», учрежденной Академией наук Финляндии. Сейчас мы повторяем эту публикацию: никто не расскажет о нобелевской работе лучше самого лауреата.

Разные разности

01.10.2017 10:00:00
...согласно моделированию с учетом общепринятых сценариев выброса парниковых газов, в Южной Азии температура и влажность приблизятся к опасному для здоровья человека пределу, а в некоторых регионах превысят его уже к концу XXI века («Science Advances», 2017, 3, 8, e1603322, doi: 10.1126/sciadv.1603322)... >>
01.09.2017 10:23:00

...возможно, 39—59% площадей кофейных плантаций в Эфиопии из-за климатических изменений станут непригодными для выращивания кофе, однако охрана лесов и перемещение плантаций могут даже увеличить подходящие площади в четыре раза и более («Nature Plants», 2017, 3, 17081, doi: 10.1038/nplants.2017.81)...

>>
01.08.2017 23:27:00

...явление квантовой запутанности продемонстрировано для фотонных пар, разделенных расстоянием 1203 км на Земле, с ретрансляцией через спутник. Результаты показывают возможность будущей глобальной сети квантовой связи («Science», 2017, 356, 6343, 1140—1144, doi: 10.1126 / science.aan3211)...

>>
06.07.2017 10:00:00

...Казанский федеральный университет принял решение прекратить сотрудничество с итальянским хирургом-трансплантологом Паоло Маккиарини, ранее уличенным в этических нарушениях и фальсификации данных («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aal1201)...

>>
31.05.2017 14:02:00

...космический аппарат «Кассини» в последний раз прошел мимо Титана, крупнейшего спутника Сатурна, и направляется в область между планетой и ее кольцами, через которую пройдет 22 раза, а затем, в сентябре 2017 года, нырнет в атмосферу Сатурна («Nature», 2017, 544, 7649, 149—150, doi:10.1038/544149a)...

>>