Işık yayan diyotlar aydınlatma dünyasını değiştirdi. Evleri, iş yerlerini, elektronik ekranları enerji tasarruflu ampullerle aydınlatmayı yaşamımızın merkezine taşıyan mavi ışık yayan diyotların icadı, üç bilimciye 2014 Nobel fizik ödülünü getirdi. Japonya, Meijo ve Nagoya Üniversitelerinden Isamu Akasaki; Nagoya Üniversitesinden Hiroshi Amano; ABD, California Üniversitesinden Shuji Nakamura 1,1 Milyon USD’lik ödülü paylaşacak.
GÖRSEL: Mavi LED’leri geliştiren fizikçiler Isamu Akasaki (solda), Hiroshi Amano (ortada) ve Shuji Nakamura (sağda) 2014 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaştı.
New York, Troy’da, Rensselaer Politeknik Enstitüsü’nden, elektrik mühendisi Fred Schubert “Teknoloji manzarasına bakarsak, transistör, tümleşik (entegre) devre var; sonra mavi LED var.” diyor.
Mavi LED, hızla tungsten ampüllerin yerini alan beyaz LED lambalar için çok önemli bir unsur. Edison’un klasik buluşu olan tungsten ampül beyazı birlikte oluşturan renk yelpazesinde ışık yayan bir filaman (ince tel) kullanır. Ancak elektriğin çoğu ışık üretmekten çok filamanı ısıtmaya harcanır.
LED’ler çok daha enerji tasarruflu çünkü foton üretmek için elektronları kullanırlar. LED’ler yarıiletken tabakalardan yapılır. Bazı tabakalar elektron fazlalığına sahip; öteki tabakalarda da pozitif yüklü boşluklar var. Konsantre bir alanda elektronlar ve boşluklar birleşirler ve ışık yayarlar.
General Elektrik’te 1962’de, Nick Holonyak, görünür ışık veren ilk yarıiletken diyotu şans eseri keşfetti; laboratuvarındaki ışığı söndürdüğünde, yarıiletken olan bir galyum-arsenit-fosfür örneğinin kırmızı renkli parladığını gördü. İşte bu olaydan sonra, bilimciler hızla yeşil ve kırmızı ışık yayan LED’leri geliştirdi. Ama, beyaz ışığın oluşması için gerekli olan mavi ışık ulaşılması zor bir hedef olarak kaldı. Mavi ışık yüksek enerjisiyle görünür ışık spektrumunun en ucunda; üstelik bunun gibi yüksek enerji yayacak elektron koparabilen çok malzeme de yok.
1980’lerin sonunda, bu zor mavi ışığı aramak için, Akasaki ve öğrencisi Amano galyum-nitrit denen bir yarıiletkenle çalışıyordu. Kuramsal olarak bazı kimsallarla katkılanmış galyum-nitrit mavi ışık üretme kapasitesine sahipti. Ancak düzinelerce mühendis uğraşmış ama güçlü bir elektron-boşluk tabakasına sahip yüksek kaliteli galyum-nitrit kristali büyütmeyi başaramamıştı. Akasaki ve Amano 1986’da, üzerinde galyum- nitrit büyütmek üzere safir taban kullandı. Sonra, tıpkı Holonyak gibi, büyük bir çıkışa yol açan bir rastlantı yaşandı: Akasaki ve Amano elektron-boşluk tabakası üretmenin neden çok zor olduğunu anlamak için malzemeyi elektron mikroskopu altında incelerken, gözlerinin önündeki, ışık yayan tabakayı fark ettiler.
Nichia Kimyasal adlı bir mühendislik şirketinde de çalışan Nakamura, yüksek kaliteli galyum-nitrit yaratmada kendi yöntemini geliştirdi. Akasaki ve Amano’nun sürpriz mikroskop gözleminin arkasındaki mekanizmayı da keşfetti; 1990’ların başlarında da mavi LED’leri kolay ve ucuz üretmeyi sağlayan bir yöntem geliştirdi.
Nakamura’nın keşfi sorunlara yol açtı. Nichia Kimyasal, bu keşfi için Nakamura’ya başlangıçta yalnız 200 USD ödedi. Cambridge Üniversitesinden malzeme bilimci ve Nakamura’nın arkadaşı Colin Humphreys’e göre; bunun nedeni, onun mavi LED’ler üzerine çalışmasını şirketin istememesiydi; ama, Nakamura araştırmasını geceleri labarotuvara giderek sürdürmüştü. Nakamura şirkete dava açtı; şirket 2005’te, ona 8,1 Milyon USD ödemek zorunda kaldı.
Schubert’e göre, araştırmacıların keşfi CD’lerin altın çağı sırasında ve DVD’ler gelmeden hemen önceki bir zamandaydı; böylece ilk uygulama mavi lazerlerin geliştirilmesi oldu, ki bu da, kısa zamanda yüksek-kapasiteli Blu-Ray disklerin ve çok daha hassas lazer yazıcıların başarılmasını sağladı. Nichia mühendislerinden Yoshinori Shimizu 1996’da, beyaz ışık yayan bir aygıt yaratmak üzere fosfor içeren sarımsı bir malzemeyle mavi LED’leri birleştirdi. Şimdilerde, beyaz LED ampüller 100.000 saate kadar dayanabiliyor. Oysa tungsten ampüllerin ömrü 1000 saat, o da normal koşullarda.
Mavi LED’lere dayalı teknolji günümüzde artık her yerde ve 15 milyar dolarlık bir sektör. Evlerin, işyerlerinin, sokakların aydınlatılmasının yanı sıra LED’ler her türlü elektronik ekranın aydınlatması olarak da görev yapıyorlar ve enerji tasarruflu olmaları sayesinde dizüstü bilgisayar, tablet ya da akıllı telefon gibi aygıtların pil ömrünü uzatıyorlar.
İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, Nobel Komitesi sık sık yeni temel fiziksel olgulara ilişkin kuramları ya da gözlemleri ödülendirir, ama bu kez, jüri açıkça araştırmanın büyük fotoğraftaki etkisini düşündü. Komite üyesi ve İsveç Linköping Üniversitesinden fizikçi Olle Inganäs basın toplantısında, “Alfred Nobel bu ödülün insanlığının yararına çalışan mucitlere verilmesini isterdi; vurgulamalıyız ki, bunlar günümüzün en yararlı şeyleri.” dedi.
Komite, enerjiyi yudumla tüketen LED’lerin, dünya genelinde bir elektrik şebekesiyle hiçbir bağlantısı olmayan kabaca 1,5 milyar insana elektrik sağlamada da katkı yapabileceğini belirtti. Dünya elektrik kullanımının yüzde 20’sinin aydınlatmaya harcandığına dikkat çeken Humphreys’e göre, aydınlatmada LED’leri kullanırsak elektriğin yarısını tasarruf edebiliriz; bu da yaklaşık 500 büyük elektrik güç santrali gereksinimini ortadan kaldırır.