Цвет излучения синий: как случайная вспышка кристалла изменила нашу жизнь
Случайная вспышка в лаборатории положила начало новым энергоэффективным источникам света. Рассказываем, как ученые превратили необычное свойство кристаллов в технологию, без которой трудно представить современные города и гаджеты.
Физика свечения
В 1907 году британский исследователь Генри Раунд испытывал материалы для радиотехники. Во время одного из опытов он пропустил ток через кристалл карбида кремния и заметил желтоватое сияние. Ученый описал необычный эффект, который впоследствии назвали электролюминесценцией.
Как оказалось, некоторые полупроводники способны напрямую превращать электрическую энергию в свет. В отличие от лампы накаливания, где ток сначала нагревает металлическую спираль, такие кристаллы излучают свечение почти без выделения тепла.
Некоторое время открытие Раунда оставалось лабораторной диковинкой, пока советский физик Олег Лосев не увидел в нем практический смысл. В 1927 году он запатентовал «световое реле» — первый прототип полупроводникового светодиода. Лосев предложил использовать изобретение для передачи сигналов и изображений на расстояние в системах связи — например, в фототелеграфе.
Охота на синий
Первый светодиод в привычном для нас виде — полупроводниковый кристалл в небольшом корпусе — создал американский физик Ник Холоньяк в 1962 году. Устройство давало ровное красное свечение и подходило для применения в электронике в качестве индикатора.
Вскоре появились желтые и зеленые светодиоды. Их цвет обеспечивала не окраска пластикового корпуса, а свойства самих кристаллов. В разных полупроводниках при прохождении тока образуются фотоны (мельчайшие частицы света) с разной величиной энергии — от нее и зависит цвет излучения.
Дольше всего ученым не удавалось получить синий светодиод. Именно его не хватало для создания полноцветных экранов, где изображение формируется с помощью трех базовых цветов — красного, синего и зеленого. Кроме того, в перспективной разработке видели ключ к получению белого света, подходящего для привычного освещения.
Светодиоды не излучают белый: его получают благодаря сочетанию нескольких цветов. Как правило, для этого синий диод покрывают люминофором — веществом, которое преобразует часть излучения в желтый свет. Вместе эти оттенки воспринимаются глазом как белый свет. Другой способ — объединить в одном корпусе красный, зеленый и синий диоды. Их свечение также кажется нам белым.
Для синего светодиода требовался полупроводник с особо высокой энергией излучения. Подходящим материалом оказался нитрид галлия, но ученые долго не могли выращивать его кристаллы нужного качества. Эту задачу первыми решили японские физики Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура. За создание эффективных светодиодов в 2014 году они получили Нобелевскую премию по физике.
Холодно и ясно
Главное преимущество светодиодов — высокая энергоэффективность. В обычной лампе с металлической спиралью в свет преобразуется всего 6–8% потребляемой электроэнергии, а большая часть уходит в тепло. У полупроводниковых моделей коэффициент полезного действия может достигать 90%. Световая отдача современных белых светодиодов примерно в 16 раз больше, чем у ламп накаливания.
Однако дело не только в освещении. С помощью технологии MicroLED создают большие дисплеи с высокой плотностью пикселей. Микроскопические RGB-светодиоды объединяют красный, зеленый и синий кристаллы в одном корпусе. В медицине лампочки-кристаллы помогают направить свет точно на нужную область, избегая рассеивания и лишнего нагрева, что критически важно при работе с живыми тканями.
Было интересно? У нас в ТЭКgpt еще больше фактов об этом.
