Nytt lys for verda

Kva har lange elektronsprang med klimaendringar og lesing på senga å gjera? Korleis kan tiår med utrøtteleg forsking på ørsmå halvleiarar skape ein liten revolusjon? Dette er historia om korleis tre japanske fysikarar klarte å lage nytt lys for verda.

Blå lysdiodar. Blå lysdiodar. Foto: Gussisaurio, CC BY-SA 3.0

Som barn skjønte ikkje Hiroshi Amano kva han skulle med alt han lærte på skulen. Da han var ungdom, sa ein av lærarane: «Du skal lære for å kunne bidra til menneskeheita.» Da bestemte Amano seg for å gi sitt bidrag til verda gjennom fysikk.

I 2014 fekk han Nobelprisen i fysikk saman med tidlegare rettleiar Isamu Akasaki og Shuji Nakamura. Dei tre fekk prisen for utviklinga av ein effektiv blå lysdiode. Ein lysdiode, eller lys-emitterande diode (LED), er ei energieffektiv lyskjelde, i form av ein diode som lyser når det går straum igjennom han (sjå faktaboks). Farga på lyset er bestemt av materialet lysdioden er laga av.

Tidleg på 1980-talet var Amano ein ung forskar ved Nagoya-universitetet i Japan. Under lys frå vanlege glødelamper og lysstoffrøyr strevde han og professor Akasaki med å bygge krystallar av eit halvleiarmateriale kalla gallium-nitrid. Kvifor ville dei bygge krystallar av gallium-nitrid? Dei visste at gallium-nitrid er eit materiale som ville sende ut blått lys, dersom dei klarte å lage ein lysdiode av det. Lyset frå ein lysdiode blir sendt ut når eit elektron hoppar frå plassen sin i eit såkalla n-dopa lag med halvleiarmateriale (sjå faktaboks) ned i eit hol i eit p-dopa lag. I dette elektronspranget blir det energi til overs, tilsvarande det som kallast energigapet i halvleiaren. Energigapet er bestemt av halvleiarmaterialet, og gjer at lys med ei bestemt bølgelengd blir sendt ut kvar gong. Fotona (lyspartiklane) i blått lys er meir energirike enn i raudt og grønt lys, og blir sende ut etter elektronsprang over eit større energigap. Gallium-nitrid har eit energigap som gir blått lys.

Allereie på 60-talet lykkast forskarar i USA og Europa med å utvikle raude og grøne lysdiodar. Dei klarte altså å lage lysdiodar av materiale med energigap tilsvarande bølgelengder i den raude og grøne delen av det synlege spekteret. Men det skulle vise seg å vera langt vanskelegare å lage lysdiodar som sende ut blått lys. Spesielt var det krevande å få store nok komponentar av materiale med «blått» energigap til å oppføre seg stabilt og effektivt i romtemperatur. I 1985 klarte endeleg Amano og Akasaki å få til dette, med å bruke ein ny teknikk for å dyrke krystallar av gallium-nitrid. Da han først såg gjennombrotet på laben, fortel Amano i eit intervju, trudde han at han hadde gjort noko feil. Krystallen såg rett og slett for perfekt ut. Men ein kikk i mikroskopet bekrefta at dei hadde klart det. Samtidig jobba Shuji Nakamura for eit kjemiselskap i Japan, og kort tid etter klarte også dei å dyrke liknande krystallar av halvleiarmateriale som kunne bli blå lysdiodar. Derfor delte Nakamura, Amano og Akasaki Nobelprisen i fysikk i 2014.

Hiroshi Amano mottar nobelprisen av Kong Carl Gustav. Hiroshi Amano mottar nobelprisen av Kong Carl Gustav. ©Nobel Media AB Foto: Alexander Mahmoud

Kvifor var det så viktig å få laga ein blå lysdiode? Heldt det ikkje med raude og grøne? Lysdiodar blir bruka til mykje forskjellig, til dømes i digitale panel på elektroniske apparat og i datamaskiner. Infraraude lysdiodar blir bruka i fjernkontrollar og til infraraud kommunikasjon mellom mobiltelefonar. Men det viktigaste bruksområdet for lysdiodar, som er på full frammarsj om dagen, er energieffektiv belysning. LED-lamper erstattar glødelamper og lysstoffrøyr i hus og heim, i bedrifter og langs gatene, i større og større omfang. Og dette lyset er jo kvitt! Kvitt lys er som kjent ei blanding av lys med ulike farger og bølgelengder. Ved å blande raudt, grønt og blått lys, får vi kvitt lys. Den blå lysdioden var derfor heilt nødvendig for at det skulle vera mogleg å lage kvitt lys i LED-lamper, som kunne brukast til vanleg belysning. LED-lamper som lyser kvitt inneheld enten både raude, grøne og blå lysdiodar, eller dei har berre blå lysdiodar, men da i tillegg ei fosforflate som lyser raudt og grønt når ho blir bestrålt av blått lys frå dioden. Resultatet er i begge tilfelle kvitt lys vi kan bruke i taklampa, gatelykta eller leselyset.

Kva har dette med klimaendringar og lesing på senga å gjera? Hiroshi Amano klarte å realisere draumen sin. Han brukte kunnskapen, talentet og engasjementet sitt til å gi eit viktig bidrag til menneskeheita. Og bidraget blir berre viktigare og viktigare. 20–30 % av den elektriske energien industrialiserte samfunn brukar, går til belysning. Mesteparten av belysninga kjem framleis frå glødelamper eller lysstoffrøyr. Glødelampa lyser fordi ho blir varm. Ho produserer ei «lysmengd» på omtrent 16 lumen (lm) per watt (W) elektrisk effekt. Det inneber at meir enn 95 % av energien går til varmeenergi, ikkje til lysenergi. Lysstoffrøyr er langt meir effektive, og produserer kanskje 70 lm/W. Men samanlikna med LED-lamper er begge desse ineffektive lyskjelder. LED-lamper kan produsere opptil 300 lm/W, og slik overføre meir enn 50 % av den elektriske energien til lys. Overgangen til LED-basert belysning kan redusere energiforbruket i verda kraftig, og med det redusere utslepp av CO2 og motverke klimaendringar. Vidare er LED-lampene særs energieffektive. I løpet av ein dag er det mogleg å samle nok energi med eit lite solcellepanel til at lampene kan lyse fleire timar om kvelden. I område av verda der det ikkje er straumnett, til dømes i mange landlege delar av Afrika, kan det bety at ungar kan gjera lekser på kvelden eller lese teikneseriar på senga. Det er to gode grunnar til å seie at Amano, Akasaki og Nakamura har laga nytt lys for verda.

Kjelder

Nobel Media AB (2014). «Hiroshi Amano – Interview». nobelprize.org
Kungliga Vetenskapsakademien (2014). «Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014»
Callin, P., Pålsgård, J., Stadsnes, R., Tellefsen, C. W. (2011). «Ergo Fysikk 1. Grunnbok.» Aschehoug

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i naturfag

  • Etter 10. årstrinn
    • Fenomener og stoffer
      • gjennomføre forsøk med lys, syn og farger, og beskrive og forklare resultatene

Læreplan i fysikk - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Fysikk 1
    • Fysikk og teknologi
      • gjøre rede for forskjellen mellom ledere, halvledere og isolatorer ut fra dagens atommodell, og forklare doping av halvleder
      • sammenligne oppbygningen og forklare virkemåten til en diode og en transistor, og gi eksempler på bruken av dem
Naturfaglig språk

  • halvleiar
    Eit materiale som leiar elektrisk straum dårlegare enn ein vanleg leiar (f.eks. koppar), men betre enn ein isolator (f.eks. glas). Evna til å leie straum heng saman med mengda av elektron som er frie til å røre seg i materialet. Silikon og gallium er mykje bruka i teknologi.
  • doping
    Å erstatte enkelte atom i materialet med eit anna stoff, slik at mengda elektron som kan røre seg aukar (n-doping), eller mengda hol elektrona kan hoppe inn i aukar (p-doping). Materialet er framleis elektrisk nøytralt.
  • diode
    Ein elektronisk komponent sett saman av fleire lag med n- og p-dopa halvleiarar, på ein måte som gjer at elektrisk straum berre kan gå gjennom den eine vegen.
  • lysdiode
    Ein diode som lyser. Når det går straum gjennom ein lysdiode, hoppar elektron frå eit n-dopa lag ned i hol i eit p-dopa lag. I dette elektronspranget blir det energi til overs, som blir send ut som lys. Farga på lyset er bestemt av energigapet, som avheng av materialet i lysdioden.
  • energigap
    Forskjellen i energi mellom frie og bundne elektron i ein halvleiar, og dermed energien i fotona som blir send ut når eit elektron frå eit n-dopa lag hoppar ned i eit hol i eit p-dopa lag i dioden.

Er bakgrunnsstoff for