Üks 21. sajandi revolutsioonilisemaid tehnoloogiaid, valgus{1}}dioodid (LED) muudavad meie suhtlemist, kodu valgustamist ja välismaailmaga suhtlemist. See on lugu visadusest, loovusest ja murrangulistest-avastustest, mis viisid nad ebaselgete teadusnähtuste juurest laialdaselt kasutatavate valguslahendusteni. See artikkel kirjeldab selle arengutLEDidaja jooksul, rõhutades uuendusi, mis muutsid nende praeguse kasutuse võimalikuks.
1. Varased leiud: elektroluminestsentsi päritolu (1907–1960)
Elektroluminestsentsi nähtus ehk valguse eraldumine ainest, kui seda läbib elektrivool, on LED-tehnoloogia aluseks. Briti teadlane Henry Joseph Round tegi selle kontseptsiooni esimese tähelepaneku 1907. aastal, kui avastas, et ränikarbiidi (SiC) kristall annab pinge rakendamisel nõrga kuma. Vaatamata sellele, et see oli tahtmatu ja halvasti mõistetav, oli Roundi leid esimene elektroluminestsents, mis dokumenteeriti.
Vene leiutaja Oleg Losev ehitas Roundi teosele 1920. aastatel. Losev kirjutas ränikarbiidi ja tsinkoksiidi kristalle uurides-põhjalikke artikleid "valgusreleede" kohta. Ta tegi ka ettepaneku, et elektroluminestsents võib olla kasulike valgusallikate aluseks. Kuid aja tehniliste piirangute tõttu jäeti tema uurimus enamasti tähelepanuta ja tema panuseid mäletati alles aastakümneid hiljem.
1950. ja 1960. aastatel koitis kaasaegne LED-ajastu, kuna pooljuhtide teaduse areng tegi võimalikuks uued võimalused. RCA, General Electricu ja IBMi teadlased uurisid selliseid materjale nagu galliumarseniid (GaAs) ja galliumfosfiid (GaP). Infrapuna-LED-i leiutasid 1961. aastal Robert Biard ja Gary Pittman, kuid otsustava avastuse tegi General Electricu teadlane Nick Holonyak Jr. Holonyak töötas 1962. aastal välja esimese nähtava -spektriga LED-i, kasutades punase valguse tekitamiseks galliumarseniidfosfiidi (GaAsP) kristalli. "LED-i isana" tuntud Holonyak tegi toona-futuristliku ennustuse, et LED-id asendavad lõpuks hõõglambid.
2. Värvirevolutsioon (1970.–1980. aastad): spektri laiendamine
Varasemate LED-ide tekitatud madala-intensiivsusega punane tuli sobis ainult kellade, kalkulaatorite ja muude vidinate indikaatortulede jaoks. 1970. aastatel ajendas uurimistööd soov uute värvide ja tõhususe suurendamise järele.
Rohelised ja kollased LED-id: 1970. aastate alguses lõid leiutajad rohelised ja kollased LED-id, dopingeerides galliumfosfiidi lämmastikuga. Need kasvasid, hõlmates autode ja valgusfooride armatuurlaua indikaatoreid.
Sinised LED-id: Püha Graal Kvaliteetsete galliumnitriidi (GaN) kristallide{0}} loomise väljakutse tõttu on sinine valgus jäänud tabamatuks. Kasv oli raske GaN kõrge sulamistemperatuuri ja võre mittevastavuse tõttu substraatidega. Metalorgaanilise keemilise aurustamise-sadestamise (MOCVD) abil jätkasid teadlased, nagu Isamu Akasaki ja Hiroshi Amano Jaapanis, ja saavutasid 1980. aastate lõpus märkimisväärseid edusamme GaN-i väljatöötamisel safiirsubstraatidel.
Esimese suure{0}}heledusega sinise LED-i lõi 1993. aastal Nichia Corporationi Shuji Nakamura, mis tähistas viimast olulist edasiminekut. Välja muudeti Nakamura leiutisega, mis kasutas aktiivse kihina indiumgalliumnitriidi (InGaN). Lisaks RGB värvitriaadi lõpuleviimisele muutsid sinised LED-id võimalikuks valged LED-id, lisades fosforkatte (sellest lähemalt hiljem). Sinise LED-i maine mängu{5}}muutva leiutisena kinnistus, kui Akasakile, Amanole ja Nakamurale anti 2014. aastal nende pingutuste eest Nobeli füüsikaauhind.
3. Maailma valgustamine: valge LED-i läbimurre (1990.–2000. aastad)
Üldvalgustus nõuab valget valgust. Enne LED-e oli punaste, roheliste ja siniste LED-ide segamine valge valguse saamiseks keeruline ja ebatõhus protseduur. Siniste LED-ide kasutuselevõtt pakkus lihtsamat lahendust: sinisele LED-ile kanti kollane fosfor (nt tseerium{2}}legeeritud ütriumalumiiniumgranaat või YAG:Ce). Kui luminofoor on sinise valgusega ergastatud, vabastab see laia valgusspektri, mis ühendab ülejäänud sinise valgusega valget värvi.
1990. aastate lõpus muutus see tehnika-tuntud kui phosphor-converted white LED või PC-LED-majanduslikult otstarbekas. 2000. aastateks hakkasid sellised ettevõtted nagu Cree, Philips ja Osram mass{7}}tootma valgeid LED-e, mille efektiivsus oli suurem kui hõõglambidel ja luminofoorlampidel.
Oluliste pöördepunktide hulka kuulusid:
Valgusefektiivsus: 2010. aastateks on efektiivsus tõusnud 5 lm/W (punane)LEDid1960. aastatest) kuni üle 150 lm/W.
Kulude vähendamine: aastatel 2000–2015 alandasid täiustatud tootmismeetodid (nt vahvli-mahus tootmine) hindu 90%.
Valgustuse kasutuselevõtt: energia säästmiseks julgustasid valitsused üle kogu maailma kasutama LED-e. Näiteks kiirendas USA energeetikaministeeriumi 2008. aasta L-auhind LED-tulede kasutuselevõttu 60 W hõõglampide asemel.
4. Lisaks valgustusele: nutikas tehnoloogia ja mitmekesistamine (2010. aastad kuni tänapäevani)
Tänapäeval kasutatakse LED-e enamaks kui lihtsalt valgustamiseks. Materjaliteaduse ja miniaturiseerimise areng on võimaldanud mitmeid kasutusviise.
a. Visuaalne tehnoloogia ja kuvarid
Orgaanilised LED-id ehk OLED-id on paindlikud, väga õhukesed ekraanid, mida on näha nutitelefonides (nagu Samsungi AMOLED-paneelid).
Mikro-LED-id: isekiirgavad pikslid-AR/VR-peakomplektide ja kõrglahutusega{2}}telerite jaoks.
Li-Fi: valguse modulatsioon LED-ide abil andmete juhtmevabaks edastamiseks.
b. Inimestele keskendunud valgustus
Tänapäeval muudavad häälestatavad LED-id värvitemperatuuri, et korrata loomuliku päikesepaiste tsükleid, parandades une kvaliteeti ja tootlikkust. "Tsirkadiaanvalgustust" kasutatakse koolides ja haiglates melatoniini taseme kontrollimiseks.
c. Põllumajandus ja aiandus
LED kasvuvalgustid kasutavad taimede arengu maksimeerimiseks teatud lainepikkusi (näiteks fotosünteesi jaoks punast ja sinist). Valgusdioodid on vertikaalsete talude aastaringse-viljakasvatuse jaoks olulised.
d. Transport ja autod
Tänu oma vastupidavusele ja disaini kohandatavusele on LED-id sõidukite valgustuse tööstusstandardiks. LED-e kasutatakse praegustes EV-des esituledest kuni aku olekunäidikuteni ning Audi 2004. aasta LED-päevasõidutuled alustasid trendi.
5. Uuendused ja raskused
Vaatamata edule seisavad LED-id jätkuvalt takistustega silmitsi:
a. Langev efektiivsus
LED-i efektiivsus väheneb suure voolu korral kuumenemise ja elektronide lekke tõttu. GaN-on-GaN substraadid ja kvantkaevude kujundused on kaks võimalust vigade vähendamiseks.
b. Keskkonnaprobleemid
LED-ides leidub raskemetalle ja haruldasi{0}muldmuldelemente, nagu fosforites sisalduv euroopium. Mure e--jäätmete pärast suurendab lõhe ringlussevõtukohtades.
c. Värvi kvaliteet
Varajase valge värviedastusLEDid was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. LED-ide tulevik
Uued tehnoloogiad võivad LED-e edasi arendada:
Perovskite LEDid: madalad{0}}kulu, väga värvilised-puhtad materjalid.
UV-C LED-id: vee puhastamiseks ja steriliseerimiseks.
LiDAR-i integreerimine: 3D-kaardistamine LED-ide abil-isejuhtivates autodes.
LED-ide väljatöötamine alates Henry Roundi valgustuskristallist kuni Shuji Nakamura sinise LED-ni on tõend inimeste leidlikkusest ja{0}}valdkonnaülesest koostööst. Enam kui pooled maailma valgustustest on praegu LED{2}}toitel, mis vähendab süsinikdioksiidi heitkoguseid ja säästab energiakulusid miljardeid dollareid.LEDidjätkab tehnoloogilise revolutsiooni juhtrolli, kuna jätkuvad uuringud nutikama, rohelisema ja kohandatavama valgustuse alal, näidates, et isegi väikseim diood suudab planeedi valgustada.
