Scienza e Tecnologia

LUCE DA NOBEL

di Francesco Carnio, 5A (scientifico)

scienled1Il 2 marzo 2016 presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova si è tenuto “Luce da Nobel”, un evento a carattere didattico e di alta divulgazione, organizzato in cinque lezioni, sulle scoperte premiate con il Nobel per la Fisica che hanno dato inizio alla tecnologia dell’Informazione. Tale iniziativa ricorda il 28 aprile 2016, giorno del conferimento da parte dell’Università di Padova della laurea in Ingegneria Elettronica honoris causa al Prof. Hiroshi Amano, vincitore nel 2014 del premio Nobel per la Fisica insieme a Isamu Akasaki e Shuji Nakamura per l’invenzione dei LED blu che hanno permesso lo sviluppo di sorgenti di luce bianca brillanti e ad alta efficienza energetica.
Il Prof. Amano è nato a Hamamatsu (Giappone) nel 1960. Si è laureato all’Università di Nagoya, dove attualmente è professore. Nel 1982 si è unito al gruppo di ricerca di Akasaki come studente universitario.

Ma cos’è e come funziona un LED?

scienled2Il LED (Light Emitting Diode) o diodo a emissione luminosa sfrutta le proprietà dei materiali semiconduttori per ottenere un’emissione di fotoni. I LED sono diodi a giunzione p-n, cioè sono formati da strati di materiale semiconduttore distinti in due regioni: uno strato di tipo n con un eccesso di elettroni (carica negativa) e uno strato di tipo p con eccedenza di lacune (carica positiva). Applicando una tensione gli elettroni possono passare dallo strato n allo strato p occupando le lacune. Quando l’elettrone effettua questo passaggio, viene rilasciata dell’energia sotto forma di fotoni e si ha un’emissione di luce.

A seconda del materiale semiconduttore usato vengono emesse onde luminose di diverse lunghezze d’onda, alle quali corrispondono diversi colori.
La luce bianca è la combinazione di tre colori: rosso, verde e blu. I LED rossi e verdi erano noti da tempo ma senza quelli blu non era possibile ottenere LED a luce bianca. Il merito dei tre scienziati è stato quello di aver scoperto all’inizio degli anni ’90 il materiale per ottenere il colore blu: il GaN (Nitruro di Gallio). Ma non è stato così semplice. Per arrivare a tale scoperta essi hanno dovuto superare due difficoltà.
Il primo problema derivava dal fatto che il GaN ha un passo cristallino diverso da ogni altro cristallo. Quando si costruiva lo strato di GaN su un substrato di Zaffiro si formava un difetto reticolare che impediva l’emissione luminosa. I tre ricercatori hanno sviluppato un metodo per risolvere questo problema: prima si costruisce sul substrato di Zaffiro uno strato di AlN (Nitruro di Alluminio) e poi su questo si fa crescere il GaN. Il Prof. Amano ha affermato che, prima di arrivare a questo risultato, ha provato più di 1500 volte!
Il secondo problema consisteva nel drogaggio del semiconduttore, cioè nel processo per ottenere le zone con eccesso di elettroni e quelle con eccesso di lacune. Per drogare il GaN si utilizzava il Magnesio (Mg) ma questo procedimento veniva ostacolato da atomi di idrogeno e il LED non funzionava. Gli scienziati osservando il LED con un microscopio a scansione elettronica notarono che emetteva luce blu. Si era quindi scoperto un modo per far funzionare i LED: il materiale semiconduttore doveva essere colpito da un fascio di elettroni (trattamento LEEBI).
Il Prof. Amano ha concluso il suo discorso per la conferenza della premiazione del Nobel con un messaggio per le giovani generazioni. Egli invita i giovani ricercatori a contribuire al miglioramento della vita dell’umanità con nuove scoperte, anche perché oggi rispetto ai suoi tempi ci sono migliori strumentazioni e finanziamenti.
Durante l’incontro “Luce da Nobel” sono state fornite alcune informazioni su i nuovi studi che si stanno svolgendo come gli OLED (LED organici) e l’applicazione dei processi chimici della bioluminescenza, fenomeno presente in alcuni organismi viventi come le lucciole e alcuni tipi di pesce.

WHAT IS A LED?

A LED is a semiconductor device that produces light from electricity. It lasts long time and breaks less easily than incandescent lightbulbs. Most of the energy makes light, not heat. It can produce many different colours depending on the chemical composition of the semiconducting material used.
Three Japanese physicists were awarded the Nobel Prize “for the invention of this efficient light-emitting diode, which has enabled bright and energy-saving white light sources”.

THE THREE SCIENTISTS WHO INVENTED LED

Da sinistra: Shuji Nakamura, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano.
Da sinistra: Shuji Nakamura, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano.

Professor Shuji Nakamura (1954, Ikata, Japan, American since 2006) is a physicist known for researching and inventing gallium nitride (GaN) at the UCSB (University of California, Santa Barbara).

Professor Isamu Akasaki (1929, Chiran, Japan) invented gallium nitride (GaN) p-n junction blue in 1989 and subsequently the high-brightness GaN blue LED.
Professor Akasaki’s patents were produced from these inventions, which have been rewarded as royalties. Nagoya University Akasaki Institute opened on October 20, 2006. The institute consists of an LED gallery to display the history of blue LED research/developments and applications, an office for research collaboration, laboratories for innovative research.

Professor Iroshi Amano (1960, Hamamatsu, Japan) joined the team as an undergraduate student of Nagoya University in 1982. In 1989 he succeeded in growing p-type GaN and fabricating a p-n-junction.type GaN-based UV/blue light-emitting diode for the first time in the world.

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