Неуловимый синий

Доброго понедельника.

Космический месяц вышел на последнюю десятидневку, и тема продолжается.

А знаешь, что такое космос, на мой взгляд, в первую очередь? Это тьма, безо всякого проблеска света. Конечно, где-то вдали сияют звёзды, и если ты в окрестностях одной из них, и между наблюдателем и светилом нет препятствий, то довольно светло. Вот только крайне разреженный космический газ почти не рассеивает поток фотонов, поэтому любая тень — это конкретно.

Вопрос со звёздочкой: если вселенная бесконечна и равномерно наполнена звёздами, то почему небо не белое, а чёрное?

И раз в космосе придётся столкнуться с тьмой

то без эффективного источника освещения не обойтись.

Огонь не поможет, ему нужно топливо и окислитель. В пустоте нет сухих веток и кислорода.

Лампы накаливания до 90% энергии уводят в тепло. А ещё они сильно греются, а потом сильно остывают об вакуум. У меня, конечно, нет результатов лабораторных исследований ламп накаливания в космосе, но подозреваю, что перегорать будут быстрее. Из плюсов — можно не делать стеклянную колбу, нить накаливания будет достаточно стабильной прямо так.

Люминесцентные лампы — гораздо лучше. Вот только внутри ядовитый газ, и значит, при повреждении небольшое пространство корабля или колонии будет отравлено. Вентилировать и фильтровать атмосферу — дорого.

Поэтому, скорее всего, придётся применять светодиод. Полупроводниковое устройство, преобразующее электрический ток непосредственно в свет. А ещё светодиоды компактны, долговечны, устойчивы к вибрациям. И я не сказал про КПД — оно лучше, чем у других альтернатив.

Кто там таится во тьме?

Как работает

В кристалле есть две зоны:

n-тип, с избытком электронов, заряженных отрицательно.

p-тип, с недостатком электронов — «дырками», заряженных положительно.

Когда через кристалл пропускают ток в прямом направлении, электроны и дырки устремляются навстречу друг другу и встречаются в зоне p-n-перехода. Происходит рекомбинация: электрон «падает» на дырку.

При этом падении электрон теряет энергию. В обычном проводнике она стала бы теплом, но в полупроводнике выделяется в виде фотона — частицы света.

Длина волны зависит от того, сколько энергии потерял электрон. Чем шире «запрещенная зона» — расстояние, которое нужно преодолеть электрону, тем выше энергия фотона — от инфракрасного до ультрафиолета.

История открытия

Путь к светодиоду начался странно.

1907 год. Британский экспериментатор Генри Раунд заметил, что кристалл карбида кремния при пропускании тока даёт тусклое жёлто-зелёное свечение. Это был случайный эффект, не нашедший применения. Выглядело как баловство.

1920-е годы. Русский физик Олег Лосев детально изучил свечение в кристаллах карбида кремния и даже подал заявку на «Световое реле». Первый работающий светодиод был создан, но... мир был не готов. Теория полупроводников ещё не существовала, а эффективность свечения была копеечной. Жалкие доли процента. Да и бал правила лампочка Ильича.

1962 год — цвет настроения красный. Ник Холоньяк, работавший в General Electric, создал первый практичный светодиод на основе арсенида галлия-фосфида (GaAsP), который светился ярко-красным. Пустили в коммерческое использование.

1970-е — идёт, гудёт зелёный шум. Добавив фосфид галлия, инженеры научились получать тусклый зелёный и жёлтый цвета. А там, где жёлтый и красный — там и оранжевый, смекаешь?

К восьмидесятым красные и зелёные светодиоды уже стали обыденностью, но их не хватало для главного — белого света.

Почему?

На самом деле никаких цветов нет, это банально частота ЭМ излучения в видимом спектре. Просто у нас в глазу три типа датчиков, для коротких, средних и длинных волн (в рамках человеческого спектра), и когда все три типа реагируют по максимуму, это воспринимается как белый свет. Естественно, для организмов с монохромным зрением никаких проблем бы не возникло, им бы хватило и первого светодиода под всё. А вот белый светодиод для пчёл — ещё та заморочка.

Собственно, инженеры знали это и думали в двух направлениях.

Смешать красный, зелёный и синий свет (модель RGB). Как видишь, у нас нет синего светодиода.

Направить ультрафиолетовый или синий свет на люминофор, который переизлучает его в белый, как это делается в лампах дневного света. Но у нас опять нет синего светодиода.

Нужен источник самого высокоэнергетичного из видимых цветов.

Синий свет требует полупроводника с огромной шириной запрещённой зоны. Подходящим кандидатом был нитрид галлия (GaN).

Однако:

Нитрид галлия — мусорный материал, в нём огромная плотность дефектов.

Получить качественный кристалл GaN не получалось. Все попытки заканчивались тем, что кристалл становился изолятором.

Индустрия не верила в этот материал. Гиганты типа IBM и Bell Labs бросили исследования и сдались.

Эстафету приняли японские учёные

Ну ты знаешь этот азиатский подход, повторяй бесконечное количество раз, пока не получится. А японцы — это азиаты в квадрате. Потому что у них ещё и максима фатализма — победа или смерть? Любой вариант устроит.

Исаму Акасаки и Хироси Амано в Университете Нагоя в конце 80-х добились прорыва. Они вырастили высококачественный нитрид галлия на сапфировой подложке. Они нашли волшебное решение: сначала вырастить при низкой температуре слой-«прокладку» из того же GaN, а затем — основной кристалл. Дефектность упала в миллионы раз. Но дырочного слоя сделать не удалось. Фактически — это только полдела.

Сюдзи Накамура из компании Nichia был простым инженером. Он изобрёл технологию двухпоточной газофазной эпитаксии (не спрашивай меня, что это, я не понимаю), которая позволила управлять процессом. Но главная битва была за p-тип.

Все образцы были изолирующими. Однажды Накамура решил рискнуть: он облучил образец электронным микроскопом. Результат оказался противоположным ожидаемому — сопротивление не выросло, а упало. Он открыл, что электроны выбивают водород из решётки, а водород мешал появляться дыркам.

В 1992 году Накамура увидел ярко-синее свечение. А в 1993 году Nichia выпустила первый в мире синий светодиод. Через год, Накамура сделал и первый белый светодиод, изменив технологию освещения во всём мире.

Печальная судьба.

На первый взгляд, история Накамуры — триумф гения, трамплин в прекрасную карьеру. Однако на факте — пример того, как буржуи обходятся с изобретателями.

Семейная компания Nichia Chemical, производители люминофоров. Когда Сюдзи пришёл с идеей делать синий светодиод, начальство назвало его идиотом. Ему отказали в финансировании, глумились и травили мужика. А он тратил свои ночи и выходные на разработку за одну зарплату.

В конце концов прорыв случился, рыночная капитализация Nichia взлетела в сто раз. Патенты на изобретение, как и любые изобретения, выполненные на оборудовании компании, принадлежали Nichia, а Накамура получил премию... примерно в 160 долларов.

Накамура подал в суд, требуя справедливости. Беспрецедентный случай в Японии, сотрудник восстал против корпоративной семьи. Более удивительно было бы только если бы в РФ сотрудник судился с работодателем.

Как ни странно, судья в Токио встал на сторону изобретателя. То ли в Японии успешно борются с коррупцией, то ли инженеру повезло и он встретил принципиального человека. Есть ещё вариант, что судья попросил бабла с конторы, а они выпендрились, и тут нашла коса на камень. Но я буду верить в лучшее.

Вердикт был: «Изобретение господина Накамуры спасло компанию от банкротства и принесло ей миллиарды. Сумма вознаграждения в $160 — оскорбление». Сюдзи присудили двести миллионов долларов, не плохие деньги.

Правда, вмешалось правительство Японии, и по итогам Накамуре выплатили всего 8 мультов баксов. Видимо, какому-то чинуше принесли wairo в 100 миллионов, что уже экономия для Nichia. Я не знаю, чем закончилась ситуация для смелого судьи, надеюсь, его не довели до сеппуку и не подослали к нему якудза.

Накамура уехал из Японии в Штаты, стал профессором в Калифорнийском университете и больше никогда не имел дело с Японией.

В 2014 году Нобелевский комитет отметил достижения героев, и Накамура, Акасаки и Амано получили премию. Даже этот рассадник коррупции растрогался.

Кстати, Накамура показал себя мужчиной, честно признав, что без изобретения Акасаки и Амано у него ничего бы не вышло.

По итогам.

Каждый раз, когда смотришь на светодиодную белую лампочку, знай, что за этим изобретением не только человеческий гений, но и отвага юриста, жадность корпорации и подлость японского правительства.

И находчивость американцев, которые приютили талантливого человека.

А при чём тут Иштар?

А она, столкнувшись с тем, что запасы синих светодиодов подходят к концу, истратила один из них весьма изобретательно.

P.S.: если показалось, что я наехал на Японию — то да, как на государство. И у меня есть поводы:

Япония была союзником Нацистской Германии, и значит, она внесла вклад в геноцид советского народа. 

Садизм и жестокость японской армии во времена 2МВ — беспрецедентны. 

Япония до сих пор в состоянии войны с Россией, и я не должен быть трепетным к врагу. 

На данный момент Япония — вассал США, и значит, не восставая против сюзерена, поддерживает все злодеяния, что чинит американское правительство по миру.

Как ты смеешь, гайдзин!

А вот японская культура и японский народ мне очень нравятся.