כנראה יש לך את הפירות של מעשה ידי חתני פרס נובל השנה בכיס. למעשה, אם אתה קורא את זה בטלפון שלך או בצג חדש יחסית עם מסך שטוח, סביר להניח שאתה בוהה בכמה מהם כרגע.

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2014הוענק ל-Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ושוג'י Nakamura על עבודתם החלוצית על נוריות LED כחולות, או דיודות פולטות אור. נוריות LED כחולות חשובות משתי סיבות: ראשית, לאור הכחול יש יישומים ספציפיים משלו ושנית, מכיוון שהוא מרכיב חיוני באור הלבן אשר מאפשר נוריות LED לבנות, ולכן מסכי מחשב וטלפון LED.

הבזק של השראה

אז מה זה LED? ביסודו של דבר, נוריות הלד הפשוטות ביותר הן שתי חתיכות של aחומר מוליכים למחצהסנדוויץ יחד. מוליכים למחצה, כפי ששמם מרמז, הם חומרים שאינם מוליכים חשמל כל כך טוב.

תכונה זו אולי תוחם אותם כבלתי ראויים לציון, אבל למעשה לנטייה הזו לשידור לא מרשים של זרמים חשמליים יש יתרון עצום לטכנולוגים: הגמישות שלה. אם אתה לוקח מוליך למחצה - סיליקון, למשל - ומערבב כמויות זעירות של זיהומים במהלך הייצור, אתה יכול לשנות באופן קיצוני את התכונות החשמליות שלו.

שני הסוגים הרחבים של מוליכים למחצה שאתה יכול לעשות נקראים n-type ו-p-type. כדי ליצור מוליך למחצה מסוג n, הטומאה שתוסיף צריכה להיות משהו שיש בו הרבה אלקטרונים. זה נותן למוליך למחצה עודף של אלקטרונים, והופך אותו למוליך קצת יותר טוב של חשמל.

מוליך למחצה מסוג p זה הפוך: אתה מוסיף יסוד כימי שיש לו מחסור באלקטרונים בהשוואה למוליך למחצה שסביבו, ובסופו של דבר יש עודף של "חורים" - אלקטרונים חסרים, שנגנבו מהמוליכים למחצה על ידי הזיהומים שאתה הוסיפו. (באופן נגדי אינטואיטיבי, זה גם מגביר את המוליכות, כי גם החורים האלה יכולים לשאת זרם!) אבל זה כשמדביקים n-type ו-p-type יחדיו, הקסם האמיתי קורה.

העבירו זרם דרך צומת p-n החדש שלכם, והאלקטרונים זורמים מהחומר מסוג n לסוג p, ואז הם נופלים מיד לתוך החורים. כשהם צונחים, הם פולטים הבזק זעיר של אור.

הצבע של האור הזה נקבע על ידי המוליך למחצה שבו השתמשת. סיליקון, למשל, אמנם מצוין עבור שבבי מחשב, אבל לא כל כך מבריק לתאורה. אור הנפלט על ידי נורית סיליקון יהיה עמוק לתוך תחום האינפרא אדום, ובלתי נראה לעין האנושית. נוריות אינפרא-אדום הן בכל זאת שימושיות מאוד: הם הדרך שבה השלט הרחוק שלך מאפשר לך להזיז הוראות לטלוויזיה מהספה שלך. אבל גם כאן, סיליקון לא משמש בגללסיבות עדינות למדיכי זה מקור אור אינפרא אדום מאוד לא יעיל.

רגע נורה

לכן, אם אתה רוצה לייצר LED אשר פולט צבע מסוים של אור, אתה רק צריך למצוא חומר בעל התכונות הנכונות להפיץ את צבע האור שאתה מעוניין בו. במקרים מסוימים מתברר שזהו די פשוט. נורות לד אדומות היו זמינותמתחילת שנות ה-60, באמצעות חומרים המבוססים על גליום ארסניד. נוריות LED ירוקות הגיעו זמן קצר לאחר מכן באמצעות גליום פוספיד. עם זאת, כחול הוכיח אתגר. הנוריות הכחולות הראשונות הזמינות מסחריות הגיעו לשוק בשנת 1989 והתבססו על סיליקון קרביד אך, בדומה לסיליקון טהור, הן היו בלתי יעילות בצורה פנומנלית.

זה המקום שבו זוכי פרס נובל שלנו נכנסים לתמונה. בחירה טובה יותר להפקת אור כחול היא גליום ניטריד (כפי שבטח שמתם לב, גליום משהו-אידי הוא המקום בו הוא נמצא כשזה מגיע להכנת אור מחשמל). למרבה הצער, זה הרבה יותר מסובך לשדל אור בהיר מזה מאשר תרכובות גליום אחרות.

ראשית, קשה מאוד לגדל גבישים באיכות גבוהה של גליום ניטריד. בדרך כלל, הכי קל לגדל גביש על משטח שיש לו מבנה גבישי דומה, אבל הפריסה האטומית המורכבת של גליום ניטריד הופכת את זה למעט מאתגר. לאחר מכן, הפיכת נוריות ה-LED ליעילות יותר דורשת שכבה מורכבת של חומרים נוספים, החורגת במקצת מה-LED האידיאלי של צומת p-n שפגשנו זה עתה. רוחב משתנה של השכבות בסנדוויץ' הקוונטי הזה יכול אפילו לשנות את הצבע המדויק של האור הנפלט (תיאורטית ניתן לכוונן את נוריות הלד ה"כחולות" הללו כדי לפלוט אור ירוק, צהוב או אפילו כתום).

מכחול ללבן

למרות הייצור המורכב שלהם, נוריות LED כחולות נמצאות כעת בכל מקום. לדוגמה, ניתן למצוא אותם בתוך נגני Blu-ray. לאור כחול יש קצר, המאפשר לבורות בדיסק Blu-ray להיות קטנים יותר וקרובים יותר זה לזה מאשר ב-DVD,שנקרא באור אדום. משמעות הדבר היא שאנו יכולים לארוז יותר פי חמישה יותר נתונים על גבי דיסק בגודל זהה ל-DVD.

ההשפעה הגדולה ביותר שלהם, לעומת זאת, היא בוודאי במתן היכולת לייצר נוריות לד לבנות. אור לבן הוא למעשה תערובת של כל צבעי הקשת, כפי שאתה יכול לראות אם אתה מפצל אותו עם פריזמה, או באמת אם אתה תופסהשתקפות ססגוניתעל פני השטח של תקליטור Blu-ray, DVD או CD. עם זאת, לעין האנושית ישרק שלושה סוגים של קולטני צבעבתוכו: אדום, ירוק וכחול.

לכן אנו יכולים ליצור משהו שנראה כמו אור לבן רק באמצעות שלושת הצבעים הללו. שילוב של נורות לד אדומות וירוקות עם כחולות מאפשר לנו ליצור תאורה לבנה יעילה ביותר, המספקת בערך פי 20 אור מנורת ליבון מקבילה. נוריות LED לבנות עושות את דרכן לאט אל תקרות בתים, חנויות ומפעלים ברחבי העולם, אך הימצאותן האמיתית כיום היא כתאורה אחורית למסכי מחשב וטלפון. פתח את נעילת הטלפון שלך או הפעל צג עדכני עם מסך שטוח, ונוריות LED אדומות, ירוקות וכחולות המאירות מבעד לשכבת גביש נוזלי מאפשרות לך לגלוש באינטרנט, לצפות בסרטים ואפילו לקרוא את המאמר הזה.

בנוסף להיותו פלא טכנולוגי, פרס נובל של אקסאקי, אמאנו ונקאמורה מהווה עדות לעקשנות במדע ניסיוני. ככל שתובנה תיאורטית מיומנת, הפיתוח של נוריות LED כחולות דרש שעות של ניסוי וטעייה במעבדה, ביצוע אותם הליכים בתנאים שונים בתכלית, בניסיון למקסם את היעילות והעלות-תועלת של התהליך הדקיק הזה.

התוצאה היא טכנולוגיה שנמצאת מסביבנו בעולם המפותח, ומתקדמת גם לעולם המתפתח. הרעיון הבהיר של זוכי הפרס הללו יכול בהחלט להיות מקור האור של המאה ה-21, וכאשר תצא גרסת הסרט, נוכל אפילו לצפות בסיפור שלהם ב-Blu-ray בטלוויזיה עם תאורת LED אחורית.