Bản dịch từ http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/popular-physicsprize2014.pdf
Khi Akasaki, Amano và Nakamura đến Stockholm vào đầu tháng 12 năm 2014, họ không thể không nhận thấy ánh đèn mà họ phát minh ra đang chiếu sáng hầu hết các cửa sổ trong thành phố. Các bóng đèn LED trắng này tiết kiệm năng lượng, có tuổi thọ cao và phát ra ánh sáng trắng rực rỡ. Thêm vào đó, chúng không chứa thủy ngân – vật liệu để chế tạo đèn huỳnh quang (đèn neon).
Các bóng diode phát ra ánh sáng đỏ và xanh lục đã tồn tại hàng nửa thế kỷ nay, song còn thiếu diode xanh lam để thực sự tạo ra cuộc cách mang trong lĩnh vực chiếu sáng. Cần phải có đủ ba màu cơ bản này để tạo ra màu trắng. Và mặc dù đã bỏ nhiều công sức và nỗ lực trong suốt 3 thập kỷ, cộng đồng các nhà nghiên cứu và nền công nghiệp vẫn chưa thể tạo ra diode phát sáng xanh lam.
Akasaki và Amano làm việc trong trường đại học Nagoya, còn Nakamura làm ở công ty Nichia Chemicals – một hãng nhỏ ở Tokushima trên đảo Shikoku. Khi tạo ra tia sáng xanh lam từ vật liệu bán dẫn, họ đã mở ra cánh cổng để biến đổi hoàn toàn công nghệ chiếu sáng. Bóng đèn sợi đốt đã soi rọi thế kỷ 20, còn thế kỷ 21 bừng sáng bởi bóng đèn LED.
Tiết kiệm năng lượng và tài nguyên
Trong các bóng LED, điện năng được chuyển đổi trực tiếp thành ánh sáng, do đó chúng có lợi thế về hiệu năng so với các dạng bóng đèn khác, khi hầu hết điện năng chuyển thành nhiệt và chỉ một phần nhỏ trong số đó chuyển thành ánh sáng. Các bóng đèn sợi đốt (đèn dây tóc) và bóng đèn halogen sử dụng dòng điện để đốt nóng một sợi dây chịu nhiệt, làm chúng phát sáng. Bóng đèn huỳnh quang (trước kia từng được gọi là loại tiết kiệm năng lượng), tạo ra ánh sáng bằng cách cho dòng điện phóng qua chất khí, tạo ra cả quang năng và nhiệt năng.
Do vậy, bóng LED mới cần ít năng lượng hơn để phát cùng một lượng ánh sáng tương đương như bóng đèn loại cũ. Thêm vào đó, chúng cũng được cải tiến thường xuyên để có hiệu suất cao hơn, đo bằng tỷ lệ ánh sáng phát ra trên cùng một đơn vị điện năng tiêu thụ. Kỷ lục mới nhất là trên 300 lumen/W, so với 16 lumen/W của đèn sợi đốt, và gần 70 lumen/W của đèn huỳnh quang. Tính trên tổng số, khoảng 1/4 năng lượng điện trên thế giới dành cho chiếu sáng, vì vậy các bóng LED hiệu suất cao đang góp phần bảo vệ môi trường Trái Đất.
Bóng LED cũng có tuổi thọ trung bình cao hơn so với các loại khác. Thông thường, bóng sợi đốt có tuổi thọ khoảng 1,000 giờ, vì nhiệt độ cao sẽ làm hỏng sợi đốt, còn bóng huỳnh quang thường đạt đến 10,000 giờ. Bóng LED có thể sử dụng đến 100,000 giờ, và như vậy cắt giảm tiêu thụ nguyên vật liệu rất nhiều.
Tạo ra ánh sáng từ vật liệu bán dẫn
Công nghệ LED bắt nguồn từ hiệu ứng lượng tử, cũng như các công nghệ điện thoại di động, máy tính và các thiết bị điện tử hiện đại khác. Một bóng LED cấu tạo từ vài lớp bán dẫn, khi có dòng điện chạy qua các lớp bán dẫn này sẽ sinh ra hiệu ứng phát sáng. Bước sóng ánh sáng (chính là màu sắc nhìn thấy được) phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn – chỉ một vài vật liệu có thể phát ra màu xanh lam.
Hiện tượng phát sáng của vật liệu bán dẫn được ghi nhận lần đầu tiên vào năm 1907 bởi Henry J. Round, người về sau được trao giải Nobel năm 1909. Song phải đến vài thập kỷ sau, người ta mới thiết lập được nền tảng lý thuyết của nó. Người ta phát minh bóng LED màu đỏ vào cuối những năm 1950, và chúng được sử dụng trong đồng hồ điện tử và máy tính bỏ túi, hoặc các đèn hiệu bật/tắt trên những thiết bị khác. Người ta cũng biết rằng muốn tạo ra ánh sáng trắng, cần có bóng LED phát được bước sóng ngắn. Nhiều phòng thí nghiệm đã từng cố gắng chế tạo ra chúng, song họ đều thất bại.
Các nghiên cứu trước đó cho thấy, vật liệu dùng để phát ra ánh sáng màu xanh lam phải là muối gallium nitride. Tuy nhiên về mặt công nghệ, người ta không thể chế tạo được muối này ở mức độ tinh khiết cần thiết, do không có bề mặt phù hợp để nuôi cấy tinh thể. Nhóm của Akasaki và Amano đã chế tạo tinh thể gallium nitride và lớp bán dẫn p của nó bằng một phương thức hơi khác so với Nakamura, song cả hai bên đều tạo được ánh sáng LED xanh lam vào năm 1992.
Trong thập niên 90, họ liên tục cải tiến công nghệ nuôi cấy tinh thể, cho đến khi chế tạo được bóng LED xanh lam bằng cỡ một hạt cát. Vì có bước sóng ngắn hơn, người ta dùng chúng để chế tạo ra các đĩa Blu-ray – lưu được nhiều thông tin hơn so với đĩa CD/DVD thông thường, hoặc các máy in laser có chất lượng cao. Nhiều thiết bị điện tử gia dụng khác cũng sử dụng bóng LED, như các màn hình LCD của TV, máy tính và điện thoại di động, hoặc đèn flash của máy ảnh.
Cuộc cách mạng rực rỡ
Phát minh của các khoa học gia đoạt giải đã làm một cuộc cách mạng trong công nghệ chiếu sáng. Người ta tạo ra ánh sáng trắng bằng hai cách khác nhau, hoặc dùng ánh sáng xanh lam kích thích phosphor để tạo ra ánh sáng đỏ và lục, và chúng tự tổng hợp thành màu trắng. Cách khác là tổ hợp 3 bóng LED màu đỏ, lục, lam, và mắt người sẽ nhận được ánh sáng trắng.
Các bóng LED trở thành nguồn phát sáng linh hoạt, tạo ra hàng triệu màu sắc khác nhau, trong những tấm panel rộng hàng trăm mét vuông, thay đổi họa tiết, chớp nháy – tất cả điều khiển từ máy tính. Việc kiểm soát màu sắc của ánh sáng bao gồm cả việc tái tạo nguồn sáng tự nhiên, phù hợp với đồng sồ sinh học của chúng ta. Việc trồng trọt trong nhà kính sử dụng ánh sáng nhân tạo đã trở thành hiện thực.
Bóng LED cũng hứa hẹn cải thiện chất lượng cuộc sống cho hơn 1.5 tỷ người trên Trái Đất, những người hiện nay không có điện lưới. Việc tiêu thụ ít điện năng của bóng LED cho phép cấp nguồn từ những tấm pin mặt trời rẻ tiền thông dụng. Mặt khác, người ta cũng dùng bóng LED cực tím – một phát triển từ LED xanh lam – để tiệt trùng nước sinh hoạt.
Phát minh đèn LED xanh lam chỉ mới tồn tại 20 năm nay, song nó đã tạo ra ánh sáng trắng theo một cách hoàn toàn mới, mang đến lợi ích cho toàn thể nhân loại.
No comments:
Post a Comment