תרומת זוכי הנובל: לדים כחולים ממלאים את העולם באור חדש

רק השילוב של אור אדום, ירוק וכחול מסוגל ליצור את האור הלבן המאיר את העולם סביבנו. על אף הסיכונים הגבוהים והמאמצים המרובים שנדרשו לקהיליית המחקר, הן באוניברסיטאות והן בתעשייה, הייצור של אור לד כחול נותר אתגר בלתי-מפוצח במשך שלושה עשורים שלמים – עד שבאו שלושת זוכי פרס נובל לפיסיקה 2014 והפכו את המאה ה-21 למאה של ה-LED

יסאמו אקאסאקי, הירושי אמאנו ושוג’י נאקאמורה זכו בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2014 על המצאתה של אנרגיה חדשה – מקור תאורה יעיל וידידותי לסביבה – הדיודה הפולטת אור כחול (LED). ברוח צוואתו של אלפרד נובל, הפרס ניתן על המצאה בעלת תרומה חשובה ומועילה לאנושות; בעזרת השימוש בלדים כחולים, ניתן לייצר אור לבן בדרך חדשה. עם מנורות הלד המתקדמות יש לנו היום חלופות יעילות וארוכות-טווח יותר למקורות תאורה ישנים.

כאשר אקאסאקי, אמאנו ונאקאמורה יגיעו לשטוקהולם בתחילת חודש דצמבר על מנת להשתתף בטקס פרס הנובל, הם בקושי יצליחו להתעלם מהתאורה שמקורה בהמצאה שלהם הקורנת מכל חלונות העיר. נורות הלד הלבנות הן נורות יעילות מבחינת אנרגיה, יציבות לאורך זמן ופולטות אור לבן בוהק. יתרה מכך, ושלא כמו נורות פלואורסצנטיות, הן אינן כוללות בתוכן את המתכת הרעילה כספית.

דיודות פולטות אור בצבע אדום וירוק מוכרות לנו כמעט מחצית מאה, אולם היה צורך אמיתי באור הכחול על מנת להביא לפריצת דרך אמיתית בטכנולוגיות תאורה – רק השילוב של אור אדום, ירוק וכחול מסוגל ליצור את האור הלבן המאיר את העולם סביבנו. על אף הסיכונים הגבוהים והמאמצים המרובים שנדרשו לקהיליית המחקר, הן באוניברסיטאות והן בתעשייה, הייצור של אור לד כחול נותר אתגר בלתי-מפוצח במשך שלושה עשורים שלמים.

אקאסאקי עבד ביחד עם אמאנו באוניברסיטת נגויה בעוד שנאקאמורה הועסק בחברת ניצ’יה כמיקלס, חברה קטנה בטוקושימה. ברגע שהם קיבלו את אלומות האור הכחול מהמוליכים למחצה שלהם, נפתחו השערים לתמורות בסיסיות בטכנולוגיות תאורה. נורות להט האירו את המאה העשרים; המאה העשרים ואחת תואר ע”י נורות לד.

חיסכון באנרגיה ובמשאבים

דיודה פולטת אור מורכבת ממספר חומרים מוליכים-למחצה הערוכים בשכבות אחדות. בנורת לד, חשמל מומר ישירות לחלקיקי אור, פוטונים, מה שמוביל ליעילות מוגברת בהשוואה למקורות אור אחרים, שם מרבית החשמל מתגלגלת לכדי חום ורק חלק קטן מומר לאור. בנורות להט, וכן בנורות הלוגן, זרם חשמלי משמש לחימום סליל להט הגורם לפליטת אור ממנו. בנורות פלואורסצנטיות מתקבלת פריקה של גז היוצרת הן חום והן חשמל.
בניגוד למקורות תאורה אלו, נורות הלד החדשות צורכות פחות אנרגיה לשם פליטת אור. יתרה מכך, נורות אלו עוברות שיפור מתמיד והופכות יעילות יותר ויותר תוך השגת שטף אור (Luminous flux) גבוה יותר (נמדד ביחידות lumen) לכל יחידת תשומה של חשמל (נמדד ביחידות וואט). השיא המעודכן ביותר הוא שיעור של מעל 300 לומן/וואט, שיעור השווה ל-16 נורות תאורה רגילות וקרוב ל-70 נורות פלואורסנטיות. לאור העובדה כי כרבע מתצרוכת החשמל העולמית מוקדש למטרות תאורה, הלדים היעילים מאוד מבחינה אנרגטית תורמים לחיסכון במשאביו האנרגטיים של כדור הארץ.
הלב של נורת הלד.

דיודה פולטת אור מורכבת ממספר שכבות של חומרים מוליכים-למחצה. זרם חשמלי מניע אלקטרונים משכבת ה-n ומניע חורים משכבת ה-p לשכבה הפעילה, שם הם מתמזגים יחדיו תוך כדי פליטת אור. אורך הגל של האור תלוי לחלוטין בטיב המוליך-למחצה בו נעשה שימוש. נורת הלד עצמה לא גדולה יותר מגרגיר של חול.
נורת לד כחולה.

הדיודה פולטת האור בנורה זו מורכבת ממספר שכבות שונות של החומר גאליום ניטריד (GaN). על-ידי ערבובו עם אינדיום (In) ואלומיניום (Al), חתני הפרס הצליחו להגביר את יעילות הנורה.

לדים גם מחזיקים יותר זמן מנורות אחרות. נורות להט נוטות לפעול במשך 1,000 שעות, מאחר והחום הנפלט הורס במשך הזמן את חוט הלהט עצמו, בעוד שנורות פלואורסנט נוטות לפעול במשך כ-10,000 שעות. לדים יכולים לפעול במשך 100,000 שעות, מה שמפחית במידה ניכרת את בלאי החומרים.

יוצרים אור בתוך מוליך-למחצה

טכנולוגיית הלד נולדה מאותו המקום בו נולדו הטלפונים הניידים, המחשבים וכל שאר הרכיבים והציוד האלקטרוני המודרניים המבוססים על תופעות קוונטיות. דיודה פולטת אור מורכבת ממספר שכבות: שכבה מסוג n בעלת עודף אלקטרונים נושאי מטען שלילי ושכבה מסוג p בעלת חוסר באלקטרונים, מה שמכונה שכבה בעלת עודף של חורים נושאי מטען חיובי.
ביניהן ממקמים שכבה פעילה שאליה מתנקזים האלקטרונים השליליים והחורים החיוביים כאשר זרם חשמלי מופעל על המוליך-למחצה. כאשר אלקטרונים וחורים נפגשים הם מתמזגים תוך כדי יצירת אור. אורך הגל של האור תלוי לחלוטין בסוג המוליך למחצה – אור כחול מופיע באורכי גל קצרים של הספקטרום וניתן להשגה רק בחומרים מוגדרים.
הפרסום הראשון שהציג פליטת אור ממוליך-למחצה הופיע עוד בשנת 1907 ע”י הנרי ראונד (Henry J. Round) עמיתו לעבודה של גוליילמו מרקוני, מהנדס חשמל איטלקי זוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 1909, על תרומתו להתפתחות הטלגרפיה האלחוטית. לאחר מכן, בשנות העשרים והשלושים של המאה העשרים, בבריה”מ, המדעןOleg V. Losev ביצע מחקרים מעמיקים יותר באשר לפליטת אור. יחד עם זאת, לשני החוקרים הייתה חסרה ההבנה המתאימה להבנת התופעה במלואה. יעברו עוד מספר עשורים לפני שהתנאים המקדימים לתיאור התיאורטי המדויק של תופעה קוונטית זו, אלקטרו-נהורנות (electroluminescence), יגיחו לעולם.

הדיודה פולטת האור האדום הומצאה בשלהי שנות החמישים. דיודות אלו שימשו, למשל, בשעונים ובמחשבונים דיגיטליים, או בתור מחוונים של מצב הפעל/כבוי ביישומים שונים. בשלב מוקדם הובן כי יש צורך חשוב ביצירת דיודה פולטת אור באורך גל קצר הכולל פוטונים עוצמתיים ביותר – דיודה פולטת אור כחול – על מנת ליצור אור לבן. מעבדות רבות ניסו להשיג זאת, אך ללא הצלחה.

מאתגרים את המוסכמות

הזוכים בפרס אתגרו אמיתות מבוססות; הם עבדו קשה ונטלו על עצמם סיכונים רבים. הם בנו את הציוד שלהם בעצמם, הגו את הטכנולוגיה מראשיתה וערכו אלפי ניסויים. במרבית הזמן הם נכשלו, אולם הם לא התייאשו; זו הייתה אחת מאומנויות המעבדה ברמה הגבוהה ביותר.
החוקרים בחרו בחומר גאליום ניטריד ובסופו של דבר הם הצליחו במאמציהם, למרות שרבים אחרים נכשלו לפניהם. בשלב הראשון, החומר נחשב כמתאים להפקת אור כחול, אולם נתגלו קשיים מעשיים רבים. אף חוקר לא הצליח להכין את גביש הגאליום ניטריד באיכות מספיק גבוהה. בנוסף, לא היה אפשרי ליצור את השכבות מסוג p בחומר זה.
למרות כל הקשיים הללו, אקאסאקי השתכנע בעקבות ניסויים קודמים כי הבחירה בחומר זה הייתה נכונה, והמשיך לעבוד בכיוון זה עם אמאנו, שהיה תלמיד לדוקטורט באוניברסיטת נגויה. גם החוקר נאקאמורה שעבד בחברת ניצ’יה כמיקלס בחר בגאליום ניטריד, לפני שעבר לעסוק בחומר החלופי אבץ סלניד, שאחרים סברו כי הוא חומר עדיף לשימוש זה.

ויהי אור

בשנת 1986, אקאסאקי ואמאנו היו הראשונים שהצליחו לסנתז גביש של גאליום ניטריד ברמה גבוהה בעזרת הנחת שכבה של אלומיניום ניטריד על-גביי מצע של ספיר והכנה של גאליום ניטריד מעל משטח זה. בשלהי שנות השמונים, החוקרים היו מעורבים בפריצת דרך ביצירת שכבה מסוג p. באופן מקרי, החוקרים אקאסאקי ואמאנו גילו כי החומר שלהם האיר בעוצמה גדולה יותר כאשר הוא עבר בדיקה במיקרוסקופ אלקטרונים סורק.

תצפית זו רמזה על כך כי אלומת האלקטרונים מהמיקרוסקופ הפכה את שכבת ה-p ליעילה יותר. בשנת 1992 הם יכלו להציג את הדיודה הראשונה שלהם שפלטה אור כחול בוהק.
נאקאמורה החל לפתח את הלד הכחול שלו בשנת 1988. שנתיים מאוחר יותר, גם הוא הצליח ליצור ניטריד גאליום באיכות גבוהה. הוא מצא את התחבולה המחוכמת שלו להפקת הגביש בעזרת הכנה של שכבה דקיקה של גאליום ניטריד בטמפרטורה נמוכה ואז הכנתן של שכבות נוספות בטמפרטורה גבוהה.
נאקאמורה גם הצליח להסביר מדוע אקאסאקי ואמאנו הצליחו ליצור את שכבת ה-p: אלומת האלקטרונים הסירה את אטום המימן שמנע את היווצרותה של שכבת ה-p. במעבדה שלו, נאקאמורה המיר את אלומת האלקטרונים בשיטה פשוטה וזולה יותר: ע”י חימום החומר הוא הצליח ליצור שכבת p פונקציונאלית בשנת 1992. לפיכך, הפתרון של נאקאמורה היה שונה מזה של אקאסאקי ואמאנו.

במהלך שנות ה-90 שתי קבוצות המחקר הצליחו לשפר את הלדים הכחולים, תוך הפיכתם ליעילים יותר. החוקרים פיתחו סגסוגות גאליום ניטריד שונות תוך שימוש במתכות כגון אלומיניום ואינדיום, והמבנה הכולל של הלדים הפך מורכב יותר ויותר.

שלושת החוקרים גם פיתחו את הלייזר הכחול במסגרתו הלד הכחול, בגודל של גרגיר חול, מהווה רכיב מפתח וחיוני. בניגוד לאור המפוזר של הלד הכחול, לייזר כחול פולט אלומה צרה במיוחד. מאחר והאור הכחול הוא בעל אורך גל קצר ניתן לשדר אותו באופן הדוק יותר; בעזרת האור הכחול ניתן לאחסן כמות מידע הגדולה פי ארבעה מאשר בעזרת אור תת-אדום. הגברת יכולת אחסון זו הובילה עד מהרה לפיתוחם של דיסקים מסוג בלו-ריי המאפשרים זמני השמעה ארוכים יותר, וגם לפיתוחם של מדפסות לייזר טובות יותר. גם מוצרי חשמל ביתיים רבים מנצלים את טכנולוגיית הלדים. הם מאירים את מסכי ה-LCD בצגי טלביזיה, במחשבים ובטלפונים ניידים, והם מספקים גם את ההבזק ואת הנורה במצלמות.

נורות לד צורכות פחות אנרגיה לשם פליטת אור ממקורות אור ישנים יותר. היעילות נמדדת ביחידות של שטף אור (Luminous flux, נמדד ביחידות lumen) לכל יחידת תשומה של חשמל (נמדד ביחידות וואט). כרבע מתצרוכת החשמל העולמית מוקדש למטרות תאורה, וכך הלדים היעילים מאוד מבחינה אנרגטית תורמים לחיסכון במשאביו האנרגטיים של כדור הארץ.

מהפכה בוהקת
האמצאות של חתני הפרס הביאו למהפכה בתחום של טכנולוגיות תאורה. גם כיום מפתחים חוקרים רבים נורות חדשות, יעילות, זולות ומתקדמות יותר. לדים לבנים ניתנים להפקה בשתי דרכים שונות. דרך אחת היא להשתמש באור כחול על מנת לעורר את החומר זרחן כך שהוא יזהר באור אדום וירוק. כאשר כל הצבעים מתמזגים יחדיו נוצר האור הלבן. השיטה השנייה היא להרכיב את הנורה משלושה לדים שונים: אחד אדום, אחד ירוק ואחד כחול, ולאפשר לעין האנושית למזג יחדיו את שלושת הצבעים לאור לבן.

לפיכך, נורות לד מהוות מקורות תאורה גמישים, המשמשים כבר עכשיו במספר יישומים בתחום התאורה – ניתן להפיק מיליוני סוגים שונים של צבעים; ניתן לכוונן את הגוונים ואת העוצמה של הצבעים בהתאם לנדרש; לוחות פרסום בצבעים מלאים, בגודל של מספר מאות מ”ר, מהבהבים, משנים את צבעם ואת הדפוסים שלהם – ועל כל זה ניתן לשלוט בעזרת מחשבים. האפשרות לשלוט בגון האור מרמזת גם כי נורות לד יכולות להתאים עצמן לשעון הביולוגי שלנו וכן בתאורה מלאכותית להצמחת יבולים. נורת הלד אוצרת בתוכה גם הבטחה גדולה בהגברת איכות החיים של יותר מ-1.5 מיליארדי בני אדם שכיום הם חסרי נגישות לרשת חשמל מסודרת, לאור העובדה כי דרישות החשמל הנמוכות מספקות אפשרות להפעיל את נורות הלד בעזרת אנרגיה סולארית מקומית זולה. יתרה מכך, ניתן לחטא מים מזוהמים בעזרת נורות לד הפולטות אור בתחום העל-סגול.