Modré svetlo

Napriek tomu, že svojou hĺbkou sa takýto pokrok možno nemôže porovnávať napríklad s  objavom Higgsovho bozónu (Nobelova cena za fyziku 2013), komisia uznala, že vzhľadom na mimoriadny ekonomický a kultúrny dopad využívania modrých LED si vedci toto najvyššie ocenenie zaslúžia.  Prečo je dôležité práve modré (ale aj príbuzné fialové a ultrafialové) svetlo? Modré svetlo potrebujeme z dvoch hlavných dôvodov. Prvým z nich je, že ľudské vnímanie farieb je založené na troch druhoch čapíkov v sietnici oka, ktoré sú citlivé práve na červenú, zelenú a modrú farbu. Ak teda chceme vytvoriť dokonalý farebný vnem, potrebujeme zdroje svetla všetkých troch farieb. Červené, žlté a zelené svietiace diódy sa už desiatky rokov bežne využívajú v rôznych displejoch a veľkoplošných paneloch. S modrými bol problémDruhým dôvodom je, že z viac energetického modrého svetla vieme vyrobiť menej energetické zelené, žlté alebo červené svetlo veľmi jednoducho – pomocou luminofórov. Luminofór je materiál, ktorý dokáže pohltiť vysoko energetické (napríklad modré) fotóny, časť z ich energie minie napríklad na svoje ohriatie, ale zvyšok sa opäť vyžiari vo forme fotónu, tentoraz však s nižšou energiou –napríklad ako zelené alebo červené svetlo. Farba vyžiareného svetla závisí od druhu luminofóru a vhodnou kombináciou môžeme dosiahnuť, že ak na vrstvu luminofórov svietime z jednej strany modrou farbou, na druhej strane vychádza zmes svetla rôznych farieb – biele svetlo. Toto sa využíva aj v klasických výbojkách (úsporných žiarivkách), v ktorých vnútri horí elektrický výboj a pridané ortuťové pary vyžarujú veľa svetla vo fialovej a ultrafialovej oblasti. Steny žiarivky sú pokryté bielou vrstvou (luminofórom), ktorá pohlcuje ultrafialové svetlo prichádzajúce zvnútra výbojky a premieňa ho na svetlo rôznych farieb, takže výbojka žiari nabielo. Predávajú sa výbojky s rôznou kombináciou luminofórov, ktoré potom žiaria studenším modrým svetlom alebo teplejším mierne oranžovým svetlom, prípadne na špeciálne účely sa používajú aj iné farebné odtiene (napríklad v akvaristike alebo v mäsiarstvach purpurové). S luminiscenciou sa stretávame aj v pracích (bieliacich) prostriedkoch. Čistá biela látka odráža veľkú časť svetla, ktoré na ňu dopadlo. Vekom sa v nej však usádzajú drobné prachové čiastočky (napríklad sadze) a biela látka odráža čoraz menej svetla – stáva sa sivou. Jednoduchým trikom je pridať do aviváže aj molekuly luminofórov (v tejto súvislosti sa nazývajú optickými zjasňovacími prostriedkami), ktoré potom pohlcujú nám neviditeľné ultrafialové svetlo a vyžarujú ho vo forme bieleho svetla. Tým kompenzujú stratu bieleho svetla v prachových čiastočkach a látku vidíme ako belšiu. Ak aplikujeme optické zjasňovacie prostriedky na čistú bielu látku, výsledkom môže byť doslova „žiarivá biela".Podobným javom, ako je luminiscencia, je aj fluorescencia. Fluorescenčné látky takisto pohltia vysokoenergetické (napríklad modré) svetlo a vyžarujú menej energetické (napríklad zelené)  svetlo. Vyžarujú ho však veľmi pomaly (aj niekoľko hodín) v oveľa menších dávkach, čím v noci poskytujú síce slabé, ale zato jednoduché osvetlenie napríklad ciferníkov hodiniek a ich ručičiek..prečo práve LED? Klasické žiarovky vytvárajú svetlo tak, že elektrickým prúdom rozžeravíme drôtik, ktorý potom svieti. Ak by sme chceli zo žiarovky dostať biele svetlo, drôtik by musel mať rovnakú teplotu, ako má povrch Slnka – asi 6 000 °C. Takúto teplotu žiadny známy kov nevydrží. V žiarovkách sa používajú volfrámové vlákna, ktoré sú rozžeravené na podstatne nižšiu teplotu – najviac asi 3 000 °C (volfrám sa taví pri teplote 3422 °C). Výsledkom je, že svetlo žiarovky je červenkasté a veľká časť vyžiarených fotónov je v infračervenej oblasti pre nás neviditeľnej. Tie sa vo veľkej miere pohltia v sklenej banke žiarovky, takže povrch svietiacej žiarovky je veľmi horúci. Účinnosť klasickej žiarovky je veľmi malá, iba asi 2 – 5 percent (podľa teploty vlákna) spotrebovanej energie sa vyžiari vo forme viditeľného svetla, zvyšok sa premení na teplo. Úsporné žiarovky (žiarivky, výbojky) sú na tom s účinnosťou oveľa lepšie, typicky majú účinnosť až 10 – 15 percent. Ešte lepšiu účinnosť majú žlto svietiace sodíkové výbojky, ktoré sa používajú na osvetlenie ciest, až 20 – 25 percent, farba ich svetla sa však na osvetlenie domácností nehodí. Moderné LED žiarovky však majú účinnosť ešte vyššiu – až 30 – 40 percent spotrebovanej elektrickej energie vyžiaria vo forme viditeľného svetla. A očakáva sa, že v krátkom čase sa budú masovo vyrábať LED žiarovky s účinnosťou viac než 50 percent. Výmena klasických žiaroviek za LED žiarovky má veľký ekonomický dopad. Odhaduje sa, že asi 25 percent vyrobenej elektrickej energie na svete sa spotrebuje na svietenie (prevažne klasickými) žiarovkami. Výmenou klasických žiaroviek za LED žiarovky s asi 10 x vyššou účinnosťou sa teda ušetrí asi 20 percent celosvetovo vyrobenej elektrickej energie. Iba pre predstavu, na Slovensku sa ročne vyrobí asi 30 TWh elektrickej energie. Ak by sa ušetrilo 20 percent z nej, bola by to úspora 6 TWH = 6 000 000 MWh elektrickej energie. Ak by sme rátali s cenou iba 0,05 eura/kWh (takáto nízka je však cena elektrickej energie iba v čase, keď jej potrebujeme iba málo – napríklad neskoro v noci), ročná úspora predstavuje asi  300 miliónov eur. LED žiarovky spotrebujú tak málo elektrickej energie, že na niekoľko hodinové  svietenie pri čítaní stačí slnečná energia premenená cez deň v malom (a lacnom) fotovoltaickom paneli s rozmermi asi 20 x 20 cm. V chudobných krajinách, kde nie je dostatočná technická  infraštruktúra, sa na svietenie dodnes používajú sviečky alebo karbidové lampy. Lacná kombinácia malého fotovoltaického panelu, malého akumulátora a LED žiarovky tak môže jednorazovou investíciou zabezpečiť  dlhodobú možnosť čítania kníh a odborného štúdia po zotmení, čím by mohla vzrásť kultúrna a vzdelanostná úroveň obyvateľstva. Objav výkonných modrých LED teda bude mať pravdepodobne aj významný kultúrny dopad. .v čom bol problém? To, že niektoré látky pri prechode elektrického prúdu vyžarujú svetlo, je známe už viac než storočie. Je zaujímavou náhodou, že prvýkrát (1907) bol tento jav pozorovaný na karbide kremíka (SiC), ktorého kryštály svetielkovali práve namodro. S karbidom kremíka sa bežne stretávate, lebo jeho kryštály sa používajú na výrobu brúsnych papierov. Je známy aj pod názvom karborundum. Príčina svetielkovania bola dlho neznáma. To, že to súvisí s vlastnosťami polovodičov, začalo byť jasné niekedy pred druhou svetovou vojnou. Vtedy ľudia pochopili, že potrebujeme mimoriadne kvalitný kryštál vhodného polovodičového materiálu, ktorý na jednom mieste trochu pokazíme prímesami spôsobujúcimi prebytok elektrónov a na susednom mieste prímesami spôsobujúcimi ich nedostatok (vznikajú tam takzvané diery). Takéto usporiadanie dvoch oblastí polovodiča má zaujímavé vlastnosti, napríklad cezeň môže tiecť elektrický prúd iba jedným smerom, takže takáto dióda sa dá použiť na usmernenie striedavého elektrického prúdu. Elektrón, ktorý prešiel z miesta, kde bol „navyše" do miesta s „nedostatkom" elektrónov si tým našiel výhodnejšie miesto, ušetril trochu energie. Pri zapĺňaní diery elektrónom sa teda uvoľňuje energia. Jednou z možností, ako sa táto energia môže uvoľniť, je vyžiarenie fotónu (svetla). To však nie je úplne bezproblémová záležitosť – v mikrosvete sa všetko neustále hýbe a na to, aby elektrón mohol zaplniť dieru, musí mať aj správnu rýchlosť. Predstaviť si to môžeme tak, že chceme preskočiť z letiaceho vrtuľníka na idúci vlak. Ak majú vrtuľník aj vlak rovnakú rýchlosť, je preskok úplne bezproblémový. Ak však ich rýchlosť nie je rovnaká, je zle. Akčný hrdina visiaci na rebríku musí čakať napríklad na náhodný poryv vetra, ktorý ho rozhojdá práve na správnu rýchlosť, aby mohol skočiť. Je jasné, že aj keď je vo vrtuľníku početný výsadok, rýchlosť zoskakovania na vlak bude veľmi malá. V kryštáloch môžu byť elektróny postrčené napríklad kmitajúcimi atómami, hovoríme, že sa zoskoku zúčastnilo kvantum energie spojenej s kmitmi atómov mriežky – fonón. Pravdepodobnosť, že sa stretnú elektrón, fonón správnej energie a diera, nie je veľmi veľká. Iba veľmi malá časť zoskakujúcich elektrónov preto vyžiari fotón (obvykle nie viac než 0,01 percenta). Väčšina zoskočených elektrónov preto „udrie" do atómov a rozkmitá ich, čiže energia sa premení na teplo, nie na svetlo. Po druhej svetovej vojne bola fyzika a technológia polovodičov už na takej úrovni, že ľudia dokázali vyrábať diódy (aj svietiace) z rôznych polovodičov. Z už spomínaného SiC sa podarilo vyrobiť aj modro svietiace diódy, ale iba s mizivou účinnosťou. Boli teda vhodné iba na kontrolky prístrojov, nie na svietenie. Materiál, ktorý umožňoval priamy preskok elektrónov (bez nutnosti postrčenia fonónom) bol napríklad gálium arzenid (GaAs), vyžaroval infračervené svetlo. Vhodným materiálom s väčšou energiou preskoku bol gálium fosfid (GaP), ktorý vyžaroval zelené svetlo. Kryštály GaAs a GaP obsahujúce aj iné prvky, napríklad indium (In) alebo hliník (Al) vyžarovali svetlo aj červené, žlté alebo oranžové. Ako materiál, ktorý dokáže účinne vyžarovať ultrafialové svetlo, bol veľmi rýchlo nájdený gálium nitrid (GaN). Ak sa do GaN pridá indium alebo hliník (GaInN, GaAlN, GaInAlN), možno získať fialové, modré alebo až zelené svetlo. Toto všetko bolo známe už v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Čo bolo problémom, bolo vyrobiť kvalitné kryštály GaN. Tento materiál sa technológii úporne bránil. V kryštáloch bolo veľa porúch, ktoré znižovali účinnosť vyžarovania svetla, alebo vyžarovaniu celkom bránili. Preto napriek počiatočnému optimizmu väčšina výskumníkov na celom svete postupne od vývoja LED na báze GaN ustúpilo a venovalo sa radšej GaP (oranžové a zelené LED). Nemožno sa tomu diviť. Ak pracujete desať rokov na vývoji modrej LED na báze GaN bez podstatného pokroku, ťažko nájdete niekoho, kto vás bude financovať ďalších desať rokov. V 70. rokoch minulého storočia sa nakoniec v Japonsku podarilo niekoľko prelomových objavov. Skupina Isamu Asakiho a jeho žiaka Hiroshi Amana na univerzite v Nagoji našla spôsob, ako nechať narásť kvalitné kryštály GaN na podložke zo zafíru. Metódu neskôr vylepšil Shuji Nakamura z malej chemickej spoločnosti Nichia Chemical Corporation. Tento úspech umožnila úplne nová metóda rastu kryštálov – depozícia pomocou pár organických zlúčenín kovov (MOCVD). Šikovnými chemickými reakciami sa docielilo, že atómy Ga a N vo forme pár organických zlúčenín sa „potulovali" sem a tam a ak našli miesto, kam patria, prebehla chemická reakcia, pri ktorej sa príslušný atóm uvoľnil a zabudoval do kryštálu. Takýmto spôsobom sa doslova atóm po atóme vytvárala jedna vrstva kryštálu za druhou. Z podstaty metódy vyplýva, že postupne môžeme privádzať pary rôznych prvkov a nechať tak rásť striedajúce sa vrstvy s rôznymi vlastnosťami. Avšak napriek tomu, že takto vytvorené kryštály boli naozaj kvalitné, ešte stále sa v nich nedarilo vytvoriť oblasti s nedostatkom elektrónov. Bola to záhada, ktorú sa podarilo vyriešiť viac-menej náhodou – japonskí vedci si všimli, že po pozorovaní vzoriek elektrónovým mikroskopom sa ich vlastnosti výrazne zlepšili. Po ďalšom skúmaní prišli na to, že za to môžu rozpustené ióny vodíka (čiže vlastne protóny), ktoré sa do kryštálu dostali v procese výroby. Keďže protóny sú veľmi malé, ľahko sa zmestia pomedzi iné atómy a ovplyvňujú vlastnosti kryštálov. Preto sa do procesu výroby zaradili aj kroky vedúce k uvoľneniu iónov vodíka (zahrievaním a ožarovaním elektrónmi). Po týchto dvoch prelomových objavoch sa koncom 80. rokov vývoj modrých LED zrýchlil. Vzhľadom na to, že použitá metóda rastu kryštálov umožnila vytvárať aj naozaj veľmi tenké vrstvy, ďalšími technickými trikmi sa podarilo elektróny a diery skoncentrovať do mimoriadne tenkých oblastí (takzvaných kvantových jám) a tým zvýšiť účinnosť produkcie fotónov. Tak v roku 1994 vznikli prvé LED s účinnosťou asi 3 percentá, nasledované modrými polovodičovými lasermi a ďalší vývoj viedol k LED s čoraz vyššou účinnosťou.Okrem odborného aspektu by som v súvislosti s modrými LED chcel zvýrazniť aj ľudský. Je naozaj úctyhodné, že oba japonské kolektívy dostali podporu na vývoj po dobu asi 20 rokov, počas ktorých bol progres iba veľmi malý. Dnes vidíme, že vynaložené finančné prostriedky sú v porovnaní s celosvetovým prínosom vlastne zanedbateľné. Ale bez toho, aby podporovatelia výskumu boli ochotní financovať aj výskum, ktorý nemusí byť nakoniec ani úspešný, by sme tu modré LED nemali. Oba japonské kolektívy mali to šťastie, že o ich financovaní rozhodovali ľudia, ktorí si uvedomovali, že možno nie každý výskum sa skončí úspechom, ale boli ochotní ísť do rizika s tým, že ak sa to podarí, bude to stáť za to. .autor je fyzik.