Nobelpriser
Investera i Nobelpristagarnas prestationer – blå ljus-LED-dioder lyser upp framtiden
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
En vardaglig revolution
Vissa Nobelpriser i fysik tillskrivs en revolution i det grundläggande sättet vi förstår universum, från svarta hål (2020) till subatomära partiklar (2013) eller universums expansion (2011). Andra belönar till synes mer ”vardagliga” upptäckter som ändå är helt värda att vinna för den hållbara och radikala påverkan de kommer att ha på mänsklig civilisation.
LED-dioder som kan avge rött, gult och grönt ljus har varit kända sedan LED-teknikens uppkomst. För att producera vitt ljus måste LED-dioder dock avge blått ljus där det behövs, och detta visade sig vara svårt att uppnå.
Den rätta typen av ljus
Kvantenergi
Det som gör blått ljus så svårt att producera med LED härrör från LED-diodernas grundläggande fysik.
LED:er producerar ljus tack vare kvantfysikens principer. I en förenklad version av kvantfysiken består atomer av en kärna, runt vilken en eller flera elektroner kretsar, likt jorden runt solen.
På grund av kvantmekanikens regler kan dessa elektroner endast ”kretsa” runt atomens kärna på förutbestämda nivåer, var och en bestämd av en viss energinivå. När en elektron går från en hög till en låg energinivå avges överskottet i form av ljus.
Ljus med låg energi tenderar att ligga på den ”röda” sidan av ljusspektrumet, medan högenergiljus ligger på den blå sidan av spektrumet.
Källa: Online Learning College
LED-grunder
Denna förmåga hos atomer att avge ljus, som härrör från grundläggande fysik, är den grundläggande principen bakom LED-dioder. I praktiken krävs några fler specifika egenskaper.
För att skapa en LED-diod behöver du först material som är halvledare, alltså har förmågan att antingen låta en elektrisk ström passera eller blockera den (därav ”semi”-delen).
Du måste sedan kombinera två olika typer av halvledare:
- Den som kan avge elektroner kallas även ”n-typ.”
- Den med extra utrymme för att ta emot dessa elektroner kallas även ”p-typ.”
Halvledarkombinationer som används i LED har ett ”bandgap”, med en betydande skillnad i energipotential mellan de två materialen.
När elektroner rör sig från en halvledare till den andra blir den frigjorda energin det ljus vi vill ha från dioden.
Källa: BYJUS
Tidiga LED-system hade mycket små energiskillnader mellan de två typerna av halvledare, vilket ledde till att lågenergiskt infrarött ljus emitterades. Snabbt fann forskare och elektronikföretag hur man kunde öka detta energigap, vilket ledde till synliga LED i rött, gult och grönt.
En nyckeldel av dessa förbättringar var att ”spika” de tidigare rena halvledarmaterialen med andra element, vilket ökade deras prestanda.
Källa: Wikipedia by VectorVoyager
Denna metod var otillräcklig i flera decennier för att skapa det högenergi-bandgap som krävs för att LED‑er ska avge blått ljus.
Den knepiga vägen till blå LED-dioder
Galliumnitrid – ett knepigt mirakelmaterial
Bandgapet för de material som används för lägre energiljus i LED, som galliumarsenid (1,42 eV) och galliumfosfid (2,26 eV), som används för röda och gröna LED, var lägre än de 2,6 till 3,4 eV som krävs för blått ljus.
Ett alternativ hittades med galliumnitrid (3,37 eV). Att använda galliumnitrid för att skapa blått LED‑ljus verkade en bra idé, men i praktiken verkade det orealistiskt.
Källa: Britannica
Det första hindret var att ingen metod fanns för att förbereda en yta att odla galliumnitridkristaller på. Dessutom visste ingen hur man skulle skapa ett p‑typ lager av galliumnitrid. Många hade försökt och misslyckats med att göra galliumnitrid till ett funktionellt LED‑system för blått ljus. Här steg de tre vinnarna av 2014 års Nobelpris in i kampen.
Lösa blå LED från flera vinklar
1986 var Isamu Asaki och Hiroshi Amano de första som lyckades ta reda på hur man odlar galliumnitridkristaller på ett lager av aluminiumnitrid på ett safirsubstrat.
De skapade ett p‑lager några år senare och till slut den första prototypen av en starkt blå LED år 1992.
Parallellt började Shuji Nakamura utveckla sin blåa LED 1988. Han hittade sitt eget sätt att odla galliumnitridkristallen, först genom att odla ett tunt lager av galliumnitrid vid låg temperatur och sedan odla efterföljande lager vid högre temperatur.
Riktig förståelse av galliumnitrid
Asakis och Amanos p‑lager optimerades genom att utsätta galliumnitrid för elektronstrålen i ett svepelektronmikroskop.
Nakamura hade den teoretiska ramen för att förklara hur elektronstrålemikroskopet fungerade: det avlägsnade väteatomer, vilket hindrade p‑lagret från att bildas. Han kom sedan på en enklare och billigare metod för att uppnå samma resultat: kontrollerad uppvärmning av materialet.
Båda parallella forskargrupperna fortsatte med allt mer avancerade och komplexa konstruktioner för sina blåa LED‑er, och skapade olika legeringar av galliumnitrid med aluminium eller indium, vilket effektivt dopade halvledarna för att öka deras ljusutbyte och effektivitet.
Källa: Nobel Prize
De uppfann också blåa lasrar med hjälp av sina blåa LED‑er. Eftersom blått ljus har en mycket högre frekvens än andra färger kan det innehålla fyra gånger mer information än infrarött ljus, vilket öppnade vägen för Blu‑ray‑skivor.
Prestationer med blå LED‑ljus
Mer ljus med mindre el
Blå LED‑er gjorde det möjligt att skapa vitt ljus, vilket möjliggör att ersätta de flesta glödlampor och lysrör med LED‑er. Detta är särskilt anmärkningsvärt, eftersom LED‑er är 20 gånger mer effektiva än glödlampor och fyra gånger mer än glödlampor.
Källa: Nobel Prize
Eftersom en fjärdedel av elförbrukningen går till att producera ljus innebär detta en radikal besparing av den globala energiförbrukningen.
Det gör också off‑grid belysningssystem mycket mer genomförbara, där små solpaneler eller andra alternativa energikällor nu kan driva ljus i avlägsna eller fattiga områden. Detta i sin tur möjliggör ökad produktivitet och bättre utbildning.
Anpassade färger
Förutom vita LED‑er möjliggör kombinationen av röda, gröna och blåa LED‑er skapandet av alla möjliga färger i det synliga spektrumet. Detta öppnar vägen för alla möjliga specialiserade LED‑er för nischade tillämpningar.
En viktig tillämpning av blåa LED‑er och anpassade färger på begäran har varit LED‑skärmar för TV‑apparater, datorer och smartphones, eftersom variationer i röd/grön/blå‑förhållandet ansvarar för att visa rätt färg pixel för pixel.
Eller, till exempel, använder växter inte grönt ljus för fotosyntes. Så LED‑lampor för inomhusodling kan använda endast röda och blåa LED‑er, vilket kraftigt optimerar energiförbrukningen i växthusodling och möjliggör revolutionen inom hydroponik och stadsträdgårdsodling. Och kanske en dag även odla mat i rymden eller på Mars.
Källa: Agritecture
Ultravioletta LED‑er
Efter den initiala utvecklingen av blått LED‑ljus har ytterligare förbättringar gjort ett ännu kraftfullare system som avger ultraviolett ljus möjligt.
Dessa UV‑C LED‑er kan användas för att rena vatten i alla skala, från campingutrustning till verktyg som betjänar tiotals miljoner människor i stora städer. De kan också användas för att döda luftburna patogener och sterilisera ytor, exempelvis på sjukhus.
Blu‑ray och blåa lasrar
Som tidigare nämnts skulle blu‑ray och andra högdensitetsdatabearbetningslösningar som förlitar sig på blå laser inte ha varit möjliga utan blåa LED‑er. Den höga datadensiteten är lika användbar för optisk kommunikation, särskilt när hög bandbredd krävs.
Blåa lasrar är också “den idealiska ljuskällan för högreflekterande metallbearbetning, som erbjuder betydande fördelar i olika industriella tillämpningar såsom skärning och svetsning”.
Blåa lasrar används också nu för kirurgi av struphuvudet, tack vare deras högenergiutgång och absorptionen av 445 nm våglängden av hemoglobin, vilket möjliggör en mycket precist riktad koagulation av blodkärl.
Galliumnitrid bortom LED‑ljus
Blå LED‑lampor skapade en hel industri som producerar i skala och studerar galliumnitridkristaller. Detta, i sin tur, kan skapa en revolution i designen av elektronik, med galliumnitrid kallas “det nästa stora inom kraft‑elektronik”.
Galliumnitrid kan fungera vid mycket högre temperaturer och högre spänning än kiselbaserade fälteffekttransistorer (FET). Så kan galliumnitridbaserade komponenter användas för 5G‑mobilbasstationer, transistorer, små elektroniska enheter och till och med AI, eftersom beräkningsapplikationer kräver allt högre energiförbrukning.
Alla dessa tillämpningar skulle inte vara möjliga utan storskalig produktion och den kunskapsrikedom som skapats av den blåa LED‑industrin från början.
Företag med blå LED
Nakamura‑relaterade företag
Nakamura utvecklade sitt blåa LED‑ljus när han arbetade på Nichia Corporation. Efter ett ledarskapsbyte 1989 beordrade företaget faktiskt Nakamura att sluta arbeta med projektet, vilket han lyckligtvis inte gjorde. Detta var också goda nyheter för företaget, som fyrdubblade sina intäkter mellan 1993 och 2001, med 60 % av den totala verksamheten från blåa LED‑lampor.
Nakamura lämnade Nichia 1999, och han blev senare inblandad i en komplex serie rättstvister om äganderätten till teknologin, som involverade Nakamura, Nichia och den amerikanska konkurrenten Cree. Nakamura nådde så småningom en förlikning med en betalning på ¥840 miljoner (≈US$8,1 miljoner) till Nichia.
Nakamura gick vidare och grundade 2008 Soraa, ett privat noterat företag som säljer blåa LED‑er, som förvärvades nyligen av Ecosense år 2020.
År 2022 medgrundade Nakamura Blue Laser Fusion, ett kommersiellt kärnfusionsföretag. Det syftar till att använda megajoule-pulslaser med hög repetitionsfrekvens för att uppnå kommersiell fusion. Företaget planerar att slutföra sin första prototyp 2025 och demonstrera en kommersiellt klar fusionsreaktor år 2030.
Blue Laser Fusion stöds av Mirai Creation Fund, som i sin tur backas av Toyota Motor (TM ) och andra investerare.
Med Soraa/Ecosense och Nichia (för att inte förväxlas med Nichias – NICFF) privatnoterade företag, måste investerare titta på andra tillverkare av blå LED‑ljus för att investera i den teknik som blev grunden för modern innovation inom elektronik, telekommunikation, medicin, tillverkning och även jordbruk.
1. SMART Global Holdings
Cree var ett amerikanskt företag som var bland de första att massproducera blåa LED‑lampor och en stor konkurrent till Nakamura‑relaterade Nichia. Det stod också bakom det första kommersiella kiselkarbidskivan.
Senare bytte det namn till ‘Wolfspeed‘, och sålde sin LED‑verksamhet till SMART Global Holdings år 2021.
Källa: SGH
