Трое японских учёных получают Нобелевскую премию в области физики

7 октября Шведская Королевская Академия наук объявила лауреатов Нобелевской премии по физике 2014 года. Премию разделили трое учёных японского происхождения: заслуженный профессор Акасаки Исаму и профессор Амано Хироси из Университета Нагоя и Накамура Сюдзи из Университета Калифорнии, Санта-Барбара.

Трое учёных были награждены за «разработку голубых оптических диодов, позволивших внедрить яркие и энергосберегающие источники света». LED – это не новая технология, она существует с 50-х годов, однако на протяжении многих лет производимые светодиоды могли излучать свет только в диапазоне от инфракрасного до зелёного. Голубые же диоды, необходимые для генерирования белого света, оставались не освоенными, пока трое японских учёных не взялись за проблему. 

Новые технологии для нового света

В центре LED трёхуровневая структура: n-слой с избытком электронов, p-слой с недостатком электронов (или «дырами») и активный слой между ними. Когда электричество воздействует на эти слои, оно направляет электроны из n-слоя и «дыр» из p-слоя на активный слой, где они рекомбинируются и излучают свет (верхний рисунок).

структура светодиодов и слоёв нитрида галлия (GaN), которые проникают в голубые оптические диоды. Иллюстрация Йохана Йарнестада/Шведская Королевская Академия Наук

Синяя светодиодная лампа (нижний рисунок). Светодиод в такой лампе состоит из нескольких слоев нитрида галлия (GaN). Использование индия (In) и алюминия (Al) позволило лауреатам повысить эффективность светодиодной лампы.

Первый научный прорыв произошел в 1986, когда Акасаки и Амано успешно создали высококачественные кристаллы нитрида галлия (GaN).  Нитрид галлия уже давно считался идеальной субстанцией для голубых диодов, но создание диодных слоёв, особенно p-слоёв, на его основе оставалось проблематичным. Акасаки и Амано поместили слой нитрида аллюминия на сапфировую подложку, что послужило идеальной базой для выращивания высококачественных кристаллов нитрида галлия. В конце 1980-х им удалось создать p-слой на основе GaN, что привело к получению первого яркого голубого светодиода, который был продемонстрирован в 1992 г.

Тем временем в 1988 г. Накамура начал свою работу над LED. В 1990 г. он разработал технологию выращивания первого слоя GaN в условиях низких температур, а последующих слоёв при высоких температурах. Путём совершенствования своего метода термального отжига, более простого, чем метод электронно-лучевого облучения, используемого в Университете Нагоя, он помог наладить массовое производство p-слоёв нитрида галия. Результатом его работы стало появление в 1993 г. первых светодиодных ламп, излучающих яркий белый свет.

Применение

Голубые светодиоды могут быть использованы в комбинации с красными и зелёными – или чаще вместе с желтым фосфорным слоем – для получения белого света. Светодиодные лампы, излучающие 300 лм/Вт, являются существенно более экономичными, чем лампы накаливания (16 лм/Вт) или флюоресцентные лампы (70 лм/Вт), которые они постепенно вытесняют. Несмотря на их высокую стоимость в сравнении с обычными лампами, они служат в 40 раз дольше. Быстрое распространение этих экологичных ламп даёт надежду на значительное сокращение потребления энергии в мире.

LED являются составляющей частью других устройств. Акасаки, Амано и Накамура работают над созданием голубого лазера с крошечным голубым светодиодом внутри. Этот плотно-лучевой лазер производит свет на очень короткой волне, делая его идеальным для чтения дисков Blu-ray с высокой плотностью записи данных. Голубые светодиодные устройства с их великолепным белым светом также нашли своё применение в миллионах мобильных телефонов, где они служат фотовспышками; в уличных указателях, видимых с большого расстояния и даже при самом ярком солнечном свете, который делает неразличимыми традиционные дорожные сигналы; в лёгких карманных фонариках и фарах, которые освещают лучше при меньших затратах энергии, чем их предшественники. А ультрафиолетовые светодиоды, новая веха в развитии LED технологий, уже применяются для получения питьевой воды путём её очищения.

Награда за исследования

Пока Акасаки и Амано занимались своей академической деятельностью в университете, Накамура работал штатным исследователем в корпорации Nichia Corp, химической машиностроительной фирме с головным офисом в префектуре Токуcима, являющейся мировым лидером по поставке оптических диодов. Его исследования в области технологий на основе нитрида галлия не воспринимались как приоритетные, и многие в Nichia Corp считали, что фонды компании следует направить на другие направления. Однако Огава Нобуо, основатель и президент компании, поддерживал Накамуру. 

Светодиодные технологии стали высокодоходным вложением компании,  но не принесли большой прибыли самому Накамуро, который получил лишь небольшой (¥20,000) бонус за своё изобретение. Когда он уехал преподавать в Санта-Барбару в 1999 г., он говорил, что японские компании не заинтересованы в поддержке мотивированных и перспективных учёных, что и послужило одной из причин его ухода. Позже он подал в суд на Nichia Corp с целью получения большей доли прибыли. Суд обязал компанию выплатить ему невероятно большую сумму в 20 миллиардов йен, – это примерно треть прибыли, которую Nichia Corp получила от патентования его изобретения, – но он договорился с компанией о выплате 840 миллионов йен.

Возвращаясь к науке, – Нобелевская премия была заслуженно присуждена троим учёным, рождённым в Японии (Накамура, в возрасте 60 лет, принял американское гражданство после переезда в Калифорнию). Восьмидесятипятилетний Акасаки, ныне профессор Университета Мейдзё, намного старше 54-летнего Амано, который, без сомнения, увидит, как его достижения широко применяются в жизни. Более чем 20 лет спустя после появления их открытия на полках магазинов в виде светодиодных ламп все трое удостоились наивысшей научной награды.

Фото: Амано, Акасаки и Накамура, лауреаты Нобелевской премии в области физики 2014. Фото Амано предоставлено корпорацией  WAO. Остальные фотографии предоставлены Jiji Press

(Оригинал статьи опубликован на английском 8 октября 2014 г.)