Nobel Vật lý cho 3 cha đẻ công nghệ đèn LED

TP - Giải Nobel Vật lý 2014 hôm qua được trao cho hai nhà khoa học Nhật Bản và một nhà khoa học Mỹ gốc Nhật, vì có công tìm ra công nghệ đi-ốt phát tỏa ánh sáng xanh dương (LED). Họ đã thành công khi những người khác thất bại, từ đó mở ra cuộc cách mạng trong công nghệ chiếu sáng.

Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý 2014 (từ trái sang): Isamu Akasaki, Shuji Nakamura và Hiroshi Amano. Ảnh: SMH
Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý 2014 (từ trái sang): Isamu Akasaki, Shuji Nakamura và Hiroshi Amano. Ảnh: SMH

Theo hồ sơ của Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, ba giáo sư Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura đạt được thành công trong công nghệ LED từ đầu những năm 1990. Cho dù đã nỗ lực nhiều, cộng đồng khoa học quốc tế và cả ngành công nghiệp bóng đèn vẫn không giải quyết được thách thức ánh sáng LED suốt 3 thập kỷ.

Khi đó, Akasaki làm việc cùng Amano tại Đại học Nagoya, còn Nakamura đang làm việc tại công ty hóa chất Nichia ở tỉnh Tokushima (Nhật Bản).

Khi họ thu được chùm ánh sáng xanh từ các thiết bị bán dẫn, cánh cổng cho sự chuyển đổi căn bản trong công nghệ chiếu sáng đã mở ra. Bóng đèn sợi đốt đã thắp sáng thế kỷ 20, còn đèn LED chiếu sáng thế kỷ 21. Công nghệ LED bắt nguồn từ cùng một kỹ thuật đã cho ra đời điện thoại di động, máy tính và mọi thiết bị điện hiện đại dựa trên hiện tượng lượng tử.

Tiết kiệm điện năng

Đèn lưỡng cực chiếu sáng gồm một số lớp vật liệu bán dẫn. Trong đèn LED, điện năng được chuyển trực tiếp thành các photon, nên giúp tiết kiệm điện hơn so với các loại đèn mà phần lớn điện năng được chuyển hóa thành nhiệt và chỉ một phần nhỏ được chuyển hóa thành ánh sáng.

Trong bóng đèn sợi đốt cũng như bóng halogen, dòng điện được sử dụng để đốt nóng dây sợi để thắp sáng. Trong bóng đèn huỳnh quang (trước đây thường được coi là đèn tiết kiệm điện), khí sinh ra tạo thành cả nhiệt và ánh sáng. 

So với các loại đèn khác, đèn LED cần ít điện hơn. Hơn nữa, đèn LED liên tục được cải thiện để tạo ra nhiều ánh sáng hơn (đo bằng đơn vị lumen) trên mỗi đơn vị điện đầu vào (đo bằng watt). Chỉ số gần đây nhất đo được là 300 lumen/watt, trong khi ở đèn thông thường là 16 lumen/watt, còn đèn huỳnh quang là 70 lumen/watt. Một phần tư lượng điện tiêu thụ của thế giới phục vụ mục đích chiếu sáng, nên bóng đèn LED góp phần tiết kiệm các nguồn tài nguyên của Trái đất.

Đèn LED cũng có tuổi thọ cao hơn so với các loại đèn khác. Đèn sợi đốt chỉ có thể sáng 1.000 giờ vì nhiệt độ phá dần sợi đốt, đèn huỳnh quang thọ khoảng 10.000 giờ, còn đèn LED tồn tại được 100.000 giờ, vì thế giúp giảm tiêu thụ vật liệu một cách đáng kể.

Thất bại hàng nghìn lần nhưng không nản

Ba nhà khoa học nhận giải năm nay đã làm việc cật lực và chấp nhận nhiều rủi ro. Họ tự làm thiết bị, học hỏi công nghệ và tiến hành hàng ngàn thí nghiệm. Gallium nitride là vật liệu được nhiều nhà khoa học sử dụng trong các thí nghiệm, nhưng họ đều thất bại, chỉ có Akasaki, Amano và Nakamura cuối cùng thành công.

Trước đó, loại vật liệu này được coi là phù hợp để tạo ra ánh sáng xanh, nhưng những khó khăn thực tế quá lớn. Chưa ai có thể tạo ra tinh thể gallium nitride đủ chất lượng, vì việc tạo ra bề mặt thích hợp cho các tinh thể gallium nitride gần như là nhiệm vụ bất khả thi.

Năm 1986, Akasaki và Amano là hai người đầu tiên tạo ra tinh thể gallium nitride thành công bằng cách đặt một lớp nhôm nitride trên nền sapphire rồi tạo gallium nitride trên đó.

Vài năm sau, vào cuối những năm 1980, họ đạt được đột phá trong việc tạo ra lớp vật liệu loại p. Một cách trùng hợp, Akasaki và Amano phát hiện ra vật liệu của họ phát sáng mạnh hơn khi được đặt dưới kính hiển vi điện tử quét.

Điều này cho thấy chùm tia điện từ từ kính hiển vi khiến lớp vật liệu loại p hiệu quả hơn. Năm 1992, họ giới thiệu đèn lưỡng cực đầu tiên phát ra ánh sáng xanh. Năm 1988, Nakamura bắt đầu nghiên cứu công nghệ đèn LED đầu tiên. Hai năm sau đó, ông cũng thành công trong việc tạo ra gallium nitrite chất lượng cao.

Ông tạo ra tinh thể với việc tạo lớp gallium nitride mỏng trong nhiệt độ thấp, sau đó tạo thêm các lớp khác trong nhiệt độ cao hơn. So với cách của Akasaki và Amano, giải pháp Nakamura dùng để tạo ra lớp vật liệu này có những nét riêng.

Trong những năm 1990, cả hai nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc cải tiến công nghệ LED ngày càng hiệu quả hơn. Đèn LED hứa hẹn cải thiện cuộc sống cho hơn 1,5 tỷ người trên khắp thế giới khi họ không có cơ hội sử dụng điện lưới, vì đèn LED có thể sử dụng điện mặt trời được sản xuất ngay tại địa phương.

Công nghệ LED đã ra đời 20 năm trước, nhưng nó đang góp phần tạo ra ánh sáng trắng theo một cách thức hoàn toàn mới để mang lại ích lợi cho mọi người. 

Akasaki, Amano và Nakamura cũng phát minh ra laser xanh mà trong đó ánh sáng LED là thành phần quan trọng. Vì ánh sáng xanh có bước sóng rất ngắn, nên nó giúp lưu trữ thông tin nhiều gấp 4 lần so với ánh sáng hồng ngoại, dẫn đến sự ra đời của loại đĩa Blu-ray dung lượng lớn hơn và máy in laser chất lượng tốt hơn.

Nhà khoa học Nhật Bản Isamu Akasaki sinh năm 1929, làm việc tại hai trường đại học Nhật Bản là Nagoya và Meijo. Giáo sư Hiroshi Amano sinh năm 1960, công tác tại Đại học Nagoya. Nhà khoa học Mỹ Shuji Nakamura sinh năm 1954 tại Nhật Bản, hiện công tác tại Đại học California (Mỹ).

Video đang được xem nhiều

Cùng chuyên mục

Xem thêm Thế giới

Mới - Nóng

Khám phá