Física y Quimica

Premio Nobel de Física 2014

Premios Nobel

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

Texto: adaptado y traducido de la Fundación Nobel

Más información:

  nobelprize.org

 

Premio Nobel de Física 2014

Isamu Akasaki

ShujiNakamura

Hiroshi Amano

Isamu Akasaki (1929). Chiran, Japón

Shuji Nakamura (1954). Ikata, Japón

Hiroshi Amano (1960). Hamamatsu, japón

"Por el desarrollo de diodos emisores de luz azul más eficientes que  han hecho posible nuevas fuentes de luz blanca y el ahorro de energía".

Traducción del inglés  Documento Fundación Nobel traducido

 

 

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura han sido premiados por desarrollar una nueva fuente de luz más eficiente y respetuosa con el medio ambiente, el diodo emisor de luz (LED) azul. De acuerdo con el espíritu de Alfred Nobel se ha premiado un invento que proporciona grandes beneficios a la humanidad; usando LEDs azules podemos obtener luz blanca. Las lámparas LED son, en la actualidad, una alternativa, más duradera y eficiente, a las antiguas fuentes de luz.

Tenemos LEDs rojos y verdes desde hace casi medio siglo, pero para obtener LEDs azules era necesaria toda una revolución tecnológica. Solo mezclando los colores rojo, verde y azul se puede obtener la luz blanca que ilumina nuestro mundo, pero a pesar de los grandes esfuerzos llevados a cabo en la investigación y en la industria, la luz azul continuó siendo un desafío durante tres décadas.

Akasaki trabajó con Amano en la universidad de Nagoya y Nakamura era un empleado de Nichia Chemicals, una pequeña empresa ubicada en Tokushima, en la isla de Shikoku. Cuando obtuvieron brillantes rayos azules utilizando semiconductores, abrieron las puertas a una  transformación fundamental en la tecnología de la iluminación. Si las bombillas de luz incandescente han iluminado el siglo XX; el siglo XXI se iluminará con lámparas LED.

El corazón del LED se compone de varias capas de materiales semiconductores: una capa de tipo n con un excedente de electrones (cargas negativas) y una capa tipo p con un déficit de electrones (por tanto con carga positiva), también conocida como una capa con "agujeros" Una diferencia de potencial hace que  los electrones de la capa n y los huecos de la capa p se dirijan a la capa activa, donde se recombinan emitiendo luz. La longitud de onda de la luz emitida depende del material semiconductor utilizado.

A pesar de que antes otros no habían tenido éxito, Akasaki , Amano y  Nakamura eligieron el nitruro de galio (GaN) y sus esfuerzos obtuvieron recompensa. En principio el material se consideró apropiado para la producción de luz azul, pero las dificultades prácticas eran enormes.  Nadie fue capaz de obtener cristales de nitruro de galio con la calidad suficiente, ya que los intentos para conseguir una superficie adecuada sobre la que crecieran los cristales de nitruro de galio resultaron infructuosos. Por otra parte, era prácticamente imposible crear capas tipo p en este material.

Akasaki y Amano fueron los primeros (en 1986) en obtener un cristal de nitruro de galio de alta calidad sobre una capa de nitruro de aluminio con sustrato de zafiro. Unos años más tarde, al final de la década de 1980, lograron un gran avance con la creación de una capa tipo p. Ambos, Akasaki y Amano, descubrieron que el material brillaba más intensamente cuando era estudiado con un microscopio electrónico de barrido. Eso les sugirió que el haz electrónico del microscopio hacía más eficiente la capa tipo p. En 1992 lograron presentar su primer diodo emisor de luz azul.

Nakamura comenzó a desarrollar su LED azul en 1988. Dos años más tarde también consiguió obtener nitruro de galio de alta calidad. Lo logró, de forma muy inteligente, depositando una delgada capa de nitruro de galio a baja temperatura y, sobre ella, sucesivas capas a una temperatura más alta. Además Nakamura reemplazó el haz de electrones por un procedimiento  más  simple y barato: calentando el material se las arregló para crear una capa tipo p (1992). Había logrado una solución diferente de la propuesta por Akasaki y Amano.

Durante la década de 1990, ambos grupos lograron mejorar sus LEDs azules, haciéndolos más eficientes. Obtuvieron diferentes aleaciones de nitruro de galio con aluminio o indio, logrando LEDs estructuralmente cada vez más complejos

En los LED la electricidad se convierte directamente en partículas de luz, fotones, de una manera mucho más eficiente que en otras fuentes de luz donde la mayor parte de la electricidad se convierte en calor y sólo una pequeña cantidad en luz. En las lámparas de incandescencia, así como en las bombillas halógenas, la corriente eléctrica se utiliza para calentar un filamento de alambre, haciéndolo brillar. En las lámparas fluorescentes (conocidas como lámparas de bajo consumo, aunque con la llegada de las lámparas LED esa denominación ha perdido su significado)  la electricidad excita el gas que contienen produciéndose luz y calor.

Los nuevos LED requieren menos energía para emitir luz. Además su eficiencia aumenta constantemente, lográndose cada vez mayores flujos luminosos (medidos en lúmenes) por unidad de potencia eléctrica (medida en watios). El récord actual está en unos 300 lm/W.  Las lámparas de incandescencia producen unos 16 lm/W y  las lámparas fluorescentes 70 lm/W. Como aproximadamente una cuarta parte del consumo mundial de electricidad se utiliza para iluminación, los LEDs contribuyen al ahorro de recursos de nuestro planeta.

Los LED también duran más que otras lámparas. Las bombillas incandescentes duran unas 1000 h, al cabo de las cuales el calor destruye su filamento, mientras que las lámparas fluorescentes duran 10 000 h. Un LED puede durar 100 000 h, lo que reduce de forma considerable el consumo de material.

Las lámparas LED blancas  se pueden crear de dos formas diferentes. Una forma es utilizar luz azul para excitar fósforo que brilla en rojo y verde. Al mezclarse los tres colores se produce luz blanca. La otra forma es construir una lámpara con tres LEDs, rojo, verde y azul, y que el ojo hagan el trabajo de mezclar los tres colores percibiendo color blanco.

La tecnología LED puede aumentar la calidad de vida de más de 1500 millones de personas que actualmente carecen de acceso a las redes de electricidad, ya que su bajo consumo permite que puedan funcionar conectados a células solares. Además el agua contaminada puede esterilizarse con LEDs ultravioleta,  construido tras el LED azul.