Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 33 – vyšlo 16. října, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

33/2014

Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2014

Radek Beňo

Dne 7. 10. 2014 oznámila švédská Královská akademie věd nositele Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2014. Stala se jimi trojice japonských vědců, jmenovitě Isamu Akasaki, Hiroši Amano a Šúdži Nakamura. Cena byla udělena „za vynález účinných modrých světelných diod, které umožnily jasné a energeticky úsporné bílé světelné zdroje“. Isamu Akasaki a Hiroši Amano stále působí na japonských univerzitách v Nagoji (na Mejdžské a Nagojské univerzitě), Šúdži Nakamura odešel na přelomu tisíciletí do Spojených států na Kalifornskou univerzituUC – University of California, Kalifornská univerzita. Americká univerzita financovaná z veřejných rozpočtů, která byla založena roku 1868. Má deset kampusů, nejznámější jsou Berkeley (UCB) a Los Angeles (UCLA). Na Kalifornské univerzitě studuje asi 190 000 studentů a pracuje přes 13 000 pedagogů a vědců. Patří mezi nejlepší univerzity USA. v Santa Barbaře.

Umělecké vyobrazení trojice oceněných japonských vědců, zleva Isamu Akasaki,
Hiroši Amano a Šúdži Nakamura. Zdroj:. Nobel Media 2014.

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. LED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. Nitrid galia – GaN. Nitrid galia je polovodič s krystalografickou strukturou podobnou wurtzitu. Může být vytvořen na substrátu z monokrystalu oxidu hlinitého (Al2O3, safír) nebo na karbidu křemíku (SiC). Dopování křemíkem vede na polovodič typu N a dopování hořčíkem na polovodič typu P. Dopování zasahuje do procesu růstu krystalu, čímž krystaly GaN křehnou a vznikají v nich zlomy. Právě tyto vady krystalů vedou k dobré elektronové vodivosti GaN. Šířka zakázaného pásu je 3,4 eV, což odpovídá vlnové délce v ultrafialové oblasti.

LED zdroje, které prosvítily svět

Světelné diody (LED – Light Emitting Diod) jsou úzkopásmové světelné zdroje na bázi polovodičových součástek, s vlnovými délkami v rozsahu od infračerveného po ultrafialové záření. První LED zdroje světla byly zkoumány a sestaveny v rozmezí let 1950–1960 v několika laboratořích, přičemž tyto diody dokázaly emitovat světlo různých vlnových délek, od infračervené vlnové délky až po zelenou. Sestavit diody emitující modré světlo byl však daleko obtížnější úkol, který se podařilo vyřešit až o tři desetiletí později. Hlavním důvodem bylo to, že používané sloučeniny galliaGalium – Gallium, velmi lehce tavitelný kov, bílé barvy s modrošedým nádechem, měkký a dobře tažný. Hlavní uplatnění nalézá v elektronice jako složka polovodičových materiálů. Objevil jej roku 1875 spektroskopicky francouzský chemik Paul Èmile Lecoq de Boisbaudran., arzénuArzén – Arsenicum, toxický polokovový prvek, známý již od starověku. Jeho současné uplatnění se nachází v oblasti metalurgie jako součást speciálních slitin a v polovodičovém průmyslu. Za objevitele prvku je označován středověký alchymista Albertus Magnus, který ho izoloval kolem roku 1250. Oxidy i jiné sloučeniny jsou silně toxické. a fosforuFosfor – Phosphorus, nekovový chemický prvek, poměrně hojně se vyskytující v zemské kůře, který má zároveň důležitou roli i ve stavbě živých organizmů. Historicky byl fosfor poprvé izolován německým alchymistou Heningem Brandtem v roce 1669. Elementární fosfor se vyskytuje ve třech modifikacích – bílý, červený a černý fosfor. nešly upravit do struktury, která by emitovala modré světlo.

K tomuto úkolu bylo třeba vyvinout metody růstu vysoce kvalitních krystalů spolu se schopností řídit dopování polovodičů typu P s velkou šířkou zakázaného pásuZakázaný pás – interval energie ve kterém se nemůže nacházet žádný ze stavů elektronů v krystalové mříži. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme látky na vodiče (mají nulovou šířku zakázaného pásu), polovodiče (zakázaný pás nenulový avšak menší než 3 eV) a izolanty (zakázaný pás je větší než 3 eV).. Nakonec se to podařilo u nitridu gallia až koncem osmdesátých let dvacátého století. Vývoj účinných modrých LED zdrojů vyžadoval výrobu GaN na bázi slitin s různým složením a jejich integraci do vícevrstvých struktur, jako jsou heterogenní struktury a kvantové jámy.

Vynález modrých LED vedl ke konstrukci bílých světelných zdrojů pro běžné osvětlení. Princip funkce světelné diody neumožňuje získat bílé světlo přímým způsobem. Ke vzniku bílého světla se používá buď klasického míchání barev (červená, zelená a modrá LED), které je však náročné na hardware a software. Získaná intenzita světla je nižší než součet intenzit zdrojů a běžně dochází k nerovnoměrné degradaci jednotlivých komponent této kombinované diody, což vede k posunu výsledného vyzařovaného spektra. Druhý způsob využívá fosforescenci luminoforů. Vhodným luminoforem je například ytrito-hlinitý granát aktivovaný cerem (Y₃l₅O₁₂:Ce), který je buzen světlem modré diody InGaN. Tento způsob je velmi podobný principu vzniku světla v klasických zářivkách. Obě technologie jsou používány v dnešních vysoce účinných bílých elektroluminiscenčních světelných zdrojích. Tyto světelné zdroje s velmi dlouhou životností (kolem 100 000 hodin) začaly v současnosti nahrazovat žárovky a zářivky pro běžné osvětlení, které představuje přibližně 20–30 % naší spotřeby elektrické energie. Nové bílé světelné zdroje založené na vysoce účinných modrých diodách spotřebují desetkrát méně energie než běžné žárovky, což vede ke značným úsporám elektrické energie.

Princip fungování emise fotonu na PN přechodu. V místě styku polovodičů obou typů, vzniká tzv. PN přechod. Pokud na tento přechod přiložíme stejnosměrné napětí správné polarity, dochází ke vzájemnému přibližování elektronů a děr k místu kontaktu a k jejich rekombinaci. Při rekombinaci každého páru elektron-díra se uvolní určité kvantum energie, které se může vyzářit mimo krystal. Elektrická energie se tak mění přímo na světlo určité barvy. U zdrojů LED jde o nekoherentní světlo, na rozdíl od laserových diod, kde nastává stimulovaná emise optického záření, využívaná k zesilování světla. První diody vyzařovaly světlo červené barvy, po nich se objevily diody se zelenou, oranžovou, žlutou a nakonec modrou barvou. Na grafu jsou zakresleny vodivostní pásVodivostní pás – interval energií, při kterých nejsou elektrony vázány ke konkrétním jádrům a mohou se pohybovat v látce volně., zakázaný pásZakázaný pás – interval energie ve kterém se nemůže nacházet žádný ze stavů elektronů v krystalové mříži. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme látky na vodiče (mají nulovou šířku zakázaného pásu), polovodiče (zakázaný pás nenulový avšak menší než 3 eV) a izolanty (zakázaný pás je větší než 3 eV)., valenční pásValenční pás – poslední (nejvyšší) pás, ve kterém se vyskytují nějaké elektrony v základním stavu. a Fermiho hladinaFermiho hladina – poslední obsazená energetická hladina v soustavě fermionů při nízké teplotě.. Zdroj: Světelné zdroje.

Isamu Akasaki

Isamu Akasaki (*1929)

Isamu Akasaki se narodil dne 30. ledna 1929 v japonské prefektuře Kagošima. V roce 1952 vystudoval univerzitu v Kjóto a v roce 1964 získal doktorát z elektroniky na Nagojské univerzitě. V roce 1964 začal s prací na modré LED diodě na bázi nitridu galia.

Koncem sedmdesátých let dvacátého století začal Akasaki zkoumat problémy, které bránily realizaci vysoce výkonných modrých LED zdrojů a laserůLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. To, o jak velké překážky se jednalo, dokazuje především fakt, že jeho převratné objevy, založené na polovodičových materiálech na bázi nitridu gallia, přišly až v devadesátých letech. Jeho výzkum umožnil následné objevy tzv. superLED (LED s vysokým jasem) v oblasti modrého a zeleného světla, a objev výkonného modrofialového polovodičového laseru. Akasaki svým výzkumem ovlivnil veškerý následný vývoj těchto LED zdrojů a laserů a umožnil konstrukci bílých světelných zdrojů, plně barevných polovodičových displejů a Blue-Ray přehrávačů.

První úspěch důležitý pro vývoj modré LED přišel v roce 1985, kdy byl úspěšně vytvořen vysoce kvalitní monokrystal nitridu gallia na safírovém substrátu pomocí nízkoteplotní vyrovnávací technologie. Druhý převrat pak přišel v roce 1989, kdy se podařilo nízkoenergetickým elektronovým zářením dopovat typ P nitridu gallia. V roce 1990 dokázal Akasaki uskutečnit stimulovanou emisi pomocí optické excitace nitridu gallia v oblasti ultrafialového záření při pokojových teplotách.

Hiroši Amano

Hiroši Amano (*1960)

Amano se narodil dne 11. září 1960 v japonském Hamamatsu. V roce 1985 získal magisterský titul a v roce 1989 doktorát na Nagojské univerzitě. V letech 1992 až 2002 působil jako odborný asistent na Mejdžské univerzitě, v roce 2002 se stal profesorem a v současné době působí na Graduate School of Engineering na Nagojské univerzitě.

Už od svých studentských let působil v týmu profesora Akasaki, kde pracoval na výzkumu a aplikaci polovodičových nitridů III skupiny, které jsou dobře známé jako materiály používané v LED zdrojích modrého světla. V roce 1985 vyvinul uložení nízkoteplotních přechodových vrstev pro polovodiče III. podskupiny nitridů na safírovém substrátu, který vedl k realizaci světelné a laserové diody. V roce 1989 se mu jako prvnímu na světě podařilo zhotovení PN přechodu na bázi GaN pro světlo emitující diodu v oblasti UV/modrého světla.

Šúdži Nakamura

Šúdži Nakamura (*1954)

Šúdži Nakamura se narodil dne 22. května 1954. Vystudoval Univerzitu v Tokušimě, kde v roce 1979 získal magisterský titul v oboru elektrotechnického inženýrství. Poté se stal zaměstnancem Nichia Corporation (Tokušima). V roce 1994 získal doktorát v oboru strojírenství na Univerzitě v Tokušimě a v roce 1999 odešel z Nichia Corporation. V současné době je profesorem inženýrství na Kalifornské univerzitě (USA).

Nakamurův výzkum zahrnuje především vývoj technologií MO-CVD (metaloorganické CVDCVD – Chemical Vapour Deposition, způsob nanášení tenkých vrstev. Proces probíhá za vysoké teploty, podklad je vystaven působení prekurzoru, který reaguje s povrchem, čímž vzniká požadovaný materiál. Vedlejší produkty se odstraňují proudem plynu nebo unikají do komory se sníženým tlakem.), UVPE (UV Pathogen Elimination, sterilizace pomocí UV záření) a vývoj možností konstrukce zařízení světelných zářičů na základě nitridu gallia (GaN).

Práce profesora Nakamury ukázala nový směr výzkumu polovodičů produkujících světelné záření, zdrojů, které jsou energeticky úsporné a způsobilé pro efektivní širokospektrální průmyslovou výrobu. Jeho LED zdroj modrého světla (objeven 1993) umožnil vývoj vysoce efektivních osvětlovacích systémů, které výrazně snižují spotřebu světových zdrojů. Jím objevený modrý laser (1995) umožnil zápis technologií Blu-Ray a vznik DVD s vysokou hustotou zápisu. Mezi další Nakamurovy objevy se řadí konstrukce ultrafialového LED zdroje, který se používá především při procesu sterilizace pitné vody.

Medaile udělovaná oceněným

Odkazy