به افتخار رنگ‌ها: جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۴

شوجی ناکامورا هنوز از خواب هم برنخواسته بود که با او تماس گرفتند و گفتند که به اتفاق ایسامو آکاساکی و هیروشی آمانو از ژاپن، برنده جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۴ شده است.

اما دیگر نه وقت خواب بود، و نه فرصت استراحت. بله؛ سه‌شنبه، هفتم اکتبر ۲۰۱۴، آکادمی سلطنتی علوم سوئد که از جانب بنیاد نوبل عهده‌دار انتخاب برندگان اینجایزه در رشته‌های فیزیک، شیمی و ادبیات است، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۴ را مشترکاً به نام دو ژاپنی و یک آمریکایی زد. ایسامو آکاساکی، هیروشی آمانو، و شوجی ناکامورا، به پاس ابداع لامپی با بهره‌وری بالا و سازگار با محیط زیست، مفتخر به دریافت این جایزه شدند.

این لامپ در واقع یک دیود نوری (LED) آبی‌رنگ است.

طبق وصیت آلفرد نوبل، جوایز بنیاد نوبل به اختراعات و دستاوردهایی اهدا می‌شود که بیشترین بهره را برای بشریت به ارمغان داشته باشند. با استفاده از LED آبی هم می‌توان نور سفید را به روشی تازه تولید کرد؛ روشی که نویدبخش جانشین‌هایی بهره‌ور‌تر و ماندگار‌تر برای انواع قدیمی‌تر لامپ‌ها بوده و هست.

در اوایل دسامبر آتی، وقتی آکاساکی، آمانو، و ناکامورا برای شرکت در جشن اهدای جایزه نوبلشان به استکهلم می‌رسند، بعید است متوجه نوری نشوند که به یمن ابداع خودشان روشنایی‌بخش تقریباً کلیه ویترین‌های شهر شده است. لامپ‌های LED سفید، بهره انرژی بالا و عمر طولانی‌ای دارند و همچنان‌که از نامشان پیداست، از خودْ نور سفید ساطع می‌کنند. آن‌ها برخلاف لامپ‌های فلوئورسنت (همان لامپ‌هایی که امروزه تحت عنوان «لامپ‌های کم‌مصرف» شناخته می‌شوند)، حاوی جیوه هم نیستند.

LEDهای قرمز و سبز تقریباً نیم‌قرن است که در زندگیمان حضور دارند، اما تولید نور آبی (به‌کمک فناوری LED) انقلابی را در فناوری روشنائی می‌طلبید. فقط سه‌گانه قرمز، سبز، و آبی می‌توانند‌‌ همان نور سفیدی را تولید کنند که جهانمان را روشن ساخته؛ ولی با وجود سرمایه و همّت هنگفتی که در جامعه علمی و صنعتی به کار گرفته شد، تولید نور آبی از طریق فناوری LED، تا سه دهه به‌صورت یک چالش ماند.

آکاساکی و آمانو، در دانشگاه ناگویای ژاپن کار می‌کردند؛ حال‌آنکه ناکامورا در استخدام شرکت کوچکی به نام نیچیا کمیکالز در توکوشیمای ژاپن بود. وقتی آن‌ها به کمک نیمه‌رساناهای خود عاقبت موفق به تولید نور آبی شدند، در‌ها به روی حرکتی بنیادی در فناوری روشنائی گشوده شد. اگر قرن بیستم را لامپ‌های رشته‌ای روشن می‌کرد، قرن بیست و یکم از درخشش لامپ‌های LED است که روشن خواهد شد.

حفظ انرژی و منابع طبیعی

یک LED از چند لایه نیمه‌رسانا تشکیل شده، که در آن‌ها الکتریسیته مستقیماً به واحدهای نور (فوتون) بدل می‌شود؛ به‌طوری‌که در مقایسه با بسیاری از منابع نوری دیگر – که در اکثریت‌ آن‌ها الکتریسیته در اصل به گرما بدل می‌شود و تنها سهم اندکی به نور می‌رسد – بهره‌ورتری بیشتری دارد.

مشخصاً در لامپ‌های رشته‌ای و همچنین لامپ‌های هالوژن، جریان الکتریسیته به‌منظور گرم کردن رشته داخلی لامپ و لذا به درخشش واداشتن آن استفاده می‌شود. در لامپ‌های فلوئورسنت هم که سابقاً به «لامپ‌های کم‌مصرف» معروف بودند اما با ظهور فناوری LED، از ذیل این عنوان ساقط شدند، آن‌چه منجر به تولید گرما و نور می‌شود، تخلیه الکتریکی ا‌ست.

LEDهای جدید اما برای تولید نور، در مقایسه با منابع نوری قدیمی‌تر به انرژی کمتری احتیاج دارند و کیفیتشان نیز رفته‌رفته رو به بهبود است. افزایش بهره‌وری آن‌ها را می‌توان از طریق نسبت شار نوری تولیدی (بر حسب واحد Lumen) به انرژی الکتریکی مصرفی (بر حسب واحد Watt) با سایر منابع نوری مقایسه کرد. جدید‌ترین رکورد این نسبت برای لامپ‌های LED، ۳۰۰ لومن بر وات است، و این مقدار برای لامپ‌های رشته‌ای، ۱۶، و برای لامپ‌های فلوئورسنت هم ۷۰ است.

نظر به این‌که تقریباً یک‌چهارم برق مصرفی جهان به‌منظور تأمین روشنائی استفاده می‌شود، LED‌ها با بهره‌وری بالایشان قادرند در حفظ منابع انرژی زمین هم نقش‌آفرین باشند. لامپ‌های LED از طرفی ماندگاری بیشتری هم دارند. عمر متوسط لامپ‌های رشته‌ای، هزار ساعت است، چراکه گرمای بالا منجر به فرسایش رشته‌هایشان می‌شود؛ حال‌آنکه لامپ‌های فلوئورسنت، عمر متوسطی معادل ده‌هزار ساعت دارند. LED‌ها که متوسط عمرشان می‌تواند حتی به یکصدهزار ساعت هم برسد، در این بین نقش بسیار مؤثری در کاهش مصرف مواد اولیه خواهند داشت.

تولید نور از نیمه‌رسانا‌ها

تکنولوژی LED ماحصل‌‌ همان هنر فناورانه‌ای‌ست که گوشی‌های موبایل، رایانه‌ها، و جملگی تجهیزات مدرن الکترونیکی را که به پدیده‌های کوانتومی متکی‌اند، برای دنیایمان به ارمغان آورده است.

یک LED از چند لایه تشکیل شده است: یک لایه نیمه‌رسانای نوع n (از نوع «دهنده») حاوی الکترون‌های اضافی، و یک لایه نیمه‌رسانای نوع p (از نوع «پذیرنده») و فاقد تعدادی الکترون، یا به عبارتی حاوی حفره‌های اضافی (که به هیأت بارهای مثبت تلقی می‌شوند). بین این دو، لایه‌ای موسوم به «لایه فعال» وجود دارد که الکترون‌ها و حفره‌ها در پی اعمال ولتاژ الکتریکی به نیمه‌رسانا، به داخل این لایه رانده می‌شوند. همین‌که الکترون‌ها و حفره‌ها در آنجا همدیگر را ملاقات کردند، فرآیندی موسوم به بازترکیب الکترون‌ها و حفره‌ها رخ می‌دهد، که در نتیجه‌ی آن نور ایجاد می‌شود. طول موج این نور کاملاً بستگی به نوع نیمه‌رسانا دارد. نور آبی با طول موج کوتاه‌اش که آن‌ را در انتهای طیف رنگ‌ها جای می‌دهد، تنها توسط مواد خاصی قابل تولید است.

نخستین مورد گزارش‌شده از نور گسیلی توسط یک نیمه‌رسانا، در سال ۱۹۰۷ میلادی توسط هنری راوند، همکار گوییلمو مارکونی (مبدع رادیو، و برنده جایزه نوبل ۱۹۰۹) به ثبت رسید. بعد‌ها در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰، اولگ لوسف در اتحاد جماهیر شوروی سابق مطالعات عمیق‌تری را در خصوص گسیل نور از طریق چنین فرآیندی به ثمر رساند. با این‌همه، راوند و لوسف فاقد دانش لازم برای درک سازوکار این فرآیند بودند. چندین دهه طول کشید تا مقدمات علمی لازم برای ارائه یک توصیف نظری از آنچه پدیده الکترولومینسانس (Electroluminescence) خوانده می‌شود، فراهم آید.

LED قرمز نیز در اواخر دهه ۱۹۵۰ ابداع شد. از این نوع LED، در ساخت وسایلی همچون ساعت‌ها، ماشین‌حساب‌های دیجیتالی، یا چراغ‌های نمایشگر روشن/خاموش دستگاه‌ها استفاده می‌‌شد. در‌‌ همان مراحل اولیه هم معلوم بود که برای دسترسی به فناوری تولید نور سفید، به یک دیود نوری با طول موج کوتاه و حاوی فوتون‌های پرقدرت – یعنی به یک LED آبی – نیاز است. آزمایشگاه‌های بسیاری در این زمینه کوشیدند، اما موفقیتی حاصل نکردند.

مسیر پرسنگلاخ

برندگان امسال نوبل فیزیک اما واقعیات موجود را به چالش خواندند. سخت کوشیدند و ریسک‌های فراوان کردند. وسایل مورد نیازشان را خودشان ساختند. فناوری لازمه را فراگرفتند و هزاران‌بار هم آزمایش‌اش کردند. در اکثریت موارد به بن‌بست خوردند، اما ناامید نشدند. کار آن‌ها در واقع نوعی هنر آزمایشگاهی در بالا‌ترین سطح ممکن بود.

نیترید گالیوم (GaN) ماده انتخابی هر دو گروه، یعنی آکاساکی و آمانو و همین‌طور ناکامورا، برای پیش‌برد کارشان بود. علی‌رغم این‌که پیشینیان‌ آن‌ها همین مسیر را با شکست پیموده بودند، ماحصل کار این دو گروه، توأم با موفقیت بود. در اوایل کار، نیترید گالیوم ماده مناسبی برای تولید نور آبی در LED به نظر می‌رسید، اما مشکلات عملیاتی فراوانی بر سر راه ایجاد شد. هیچ‌کس قادر نبود بلور نیترید گالیوم را با کیفیتی مطلوب از کار درآورد. با این‌همه، آکاساکی با تکیه بر تجربیات سابق‌اش اطمینان یافت که در انتخاب ماده اولیه، راه خطا را در پیش نگرفته است، و لذا کماکان کارش را به اتفاق آمانو – که در آن مقطع، دانشجوی دکترای دانشگاه ناگویا بود – ادامه داد. ناکامورا هم در پژوهش‌های مستقل خود از نیترید گالیوم استفاده کرد.

در سال ۱۹۸۶، آکاساکی و آمانو برای نخستین بار موفق شدند از طریق ایجاد پوششی از نیترید آلومینیوم بر یک لایه یاقوت کبود، بلور باکیفیتی از نیترید گالیوم را بر آن رشد بدهد. چند سال بعد، در اواخر دهه ۱۹۸۰، آن‌ها به پیشرفت‌های خارق‌العاده‌ای در ساخت یک لایه نیمه‌رسانای نوع p رسیدند. آکاساکی و آمانو تصادفاً کشف کردند که وقتی مواد تحت بررسیشان در یک میکروسکوپ الکترونی  روبشی مورد مطالعه قرار داشتند، با شدت بیشتری از خودشان نور ساطع می‌کردند. این اتفاق حکایت از این داشت که جریان الکترونی  موجود در میکروسکوپ، لایه p نیمه‌رسانا را کارآمد‌تر می‌‌کند. بالاخره در سال ۱۹۹۲ بود که آن‌ها موفق شدند اولین LED آبیشان را به نمایش بگذارند.

ناکامورا هم از سال ۱۹۸۸ اقدام به ساخت LED آبی خود کرد. دو سال بعد، او نیز موفق به تولید بلور باکیفیتی از نیترید گالیوم شد. او راه هوشمندانه خود را در شیوه رشد بلور پیدا کرد. ابتدا لایه نازکی از نیترید گالیوم را در دمای پایین رشد می‌داد، و سپس لایه‌های دیگر را در دمایی بالا‌تر بر آن می‌نشاند. در همین اثناء، ناکامورا توانست دلیل موفقیت آکاساکی و آمانو را در تولید لایه نیمه‌رسانای نوع p هم توضیح بدهد. جریان الکترونی، هیدروژنی را که مانع از شکل‌گیری لایه نوع p می‌شد، حذف می‌کرد. ناکامورا با جایگزین کردن روشی ساده‌تر و ارزان‌تر از تاباندن پرتو الکترون، یعنی فقط با گرم کردن ماده‌ای که قصد لایه‌نشانی‌ آن را داشت، در‌‌ همان سال ۱۹۹۲ موفق به تولید لایه نیمه‌رسانای نوع p شد. البته روش ناکامورا، با روش آکاساکی و آمانو تفاوت داشت. در طول دهه ۱۹۹۰، هر دو گروه موفق شدند LEDهای آبی خود را بهبود ببخشند و کارآمدترشان کنند. آن‌ها با به‌کارگیری عناصر آلومینیوم و ایندیوم، آلیاژهای مختلفی از نیترید گالیوم را ساختند و بدین‌ترتیب ساختار LED‌هایشان پیچیده‌تر شد.

هر دو گروه آکاساکی و آمانو و همچنین ناکامورا، لیزری با طول موج آبی اختراع کردند که بخش اصلی آن را یک LED آبی به ابعادی معادل یک دانه شن تشکیل می‌داد. نور منتشره از یک لیزر آبی، بر خلاف نور پراکنده LED، اشعه‌ای متمرکز است. از آنجاکه نور آبی طول موج بسیار کوتاهی دارد، می‌تواند با شدت بیشتری هم متمرکز بشود و در یک سطح یکسان، چهار برابر اطلاعات بیشتری نسبت به نور فروسرخ را در خودش جای بدهد. همین رشد چشمگیر در ظرفیت ذخیره‌سازی، منجر به توسعه سریع دیسک‌های Blu-ray با ظرفیتی بیشتر، و همچنین چاپگرهای لیزری بهتر شد. امروزه بسیاری از لوازم خانگی هم با LED‌ها تجهیز شده‌اند. آن‌ها با نورشان نمایشگرهای LCD تلویزیون‌ها، رایانه‌ها، و گوشی‌های موبایل را روشن می‌کنند، و همچنین نقش لامپ و فلاش دوربین‌های عکاسی را هم ایفا می‌کنند.

انقلاب چشمگیر

اختراع برندگان نوبل فیزیک امسال، به انقلابی در فناوری روشنائی انجامید. لامپ‌های جدید، هم‌اینک ارزان‌تر و هوشمند‌تر توسعه می‌یابند. لامپ‌های LED سفید را عموماً می‌توان به دو روش متفاوت ساخت: یکی با تحریک عنصر فسفر از طریق تاباندن نور آبی، و نتیجتاً گسیل نور قرمز و سبز از فسفر، که در ‌‌نهایت از ترکیب این سه رنگ، نور سفید حاصل می‌شود؛ و دیگری‌‌ همان تلفیق سه نور آبی، قرمز، و سبز، و واگذاری کار ترکیب نهاییشان به چشم انسان. LED‌ها منابع نوری انعطاف‌پذیری هم هستند. از طریق این فناوری هم‌اینک می‌توان میلیون‌ها رنگ را با کاربردهای متفاوتی در زمینه روشنائی پدید آورد؛ رنگ‌هایی که طول موج و شدتشان قابل کنترل است. این لامپ‌ها در زمینه‌هایی همچون ساخت صفحات نورانی رنگی (در ابعاد صد‌ها متر مربع)، تولید چراغ‌های چشمک‌زن، و همچنین الگوهای متنوع نوری هم کاربرد دارد، به‌طوری‌که جملگی خصوصیات‌ این نور‌ها از طریق رایانه قابل کنترل است. امکان کنترل رنگ‌ها در لامپ‌های LED، حکایت از امکان بازتولید نورهای طبیعی برای درک ساعت بیولوژیک بدن نیز دارد. در عملیات کاشت گلخانه‌ای و تولید نورهای مصنوعی هم می‌توان ردپای LED‌ها را یافت.

LED‌ها خبر خوشی دیگری را هم با خودشان به ارمغان دارند، و آن بهبود کیفیت زندگی بالغ بر یک و نیم میلیارد انسان است که از دسترسی به شبکه برق، محروم‌اند. این افراد می‌توانند با منابع کوچک انرژی، همچون سلول‌های خورشیدی محلی، از نعمت روشنایی بهره‌مند شوند. از این گذشته، آب آلوده را هم می‌توان از طریق LEDهای فرابنفش، استریلیزه کرد. اگرچه تنها بیست سال از ابداع فناوری LED آبی می‌گذرد، اما به یمن تولید نور سفید، آن‌هم به طریقی کاملاً جدید، این فناوری هم‌اینک به همگی ما سود می‌رساند.

منبع: وب‌سایت رسمی بنیاد نوبل