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Nobel Física 2014 para Akasaki, Amano y Nakamura por el diodo azul
El diodo azul, una tecnología que casi todos usamos todos los días, obtiene el Premio Nobel de Física 2014. Isamu Akasaki y Hiroshi Amano (Univ. Nagoya, Japón) y Shuji Nakamura (Univ. California, Santa Barbara, EEUU). Seguro que tienes en el bolsillo ahora mismo un dispositivo que usa esta tecnología. Sin lugar a dudas este Premio Nobel de Física 2014 recoge perfectamente el espíritu original de Alfred Nobel.
Anuncio oficial del premio, nota de prensa, información divulgativa e información avanzada
Los diodos emisores de luz (LED) actuales emiten luz entre el infrarrojo y el ultravioleta. Sin embargo, los primeros LED desarrollados en los 1950 y en los 1960 sólo emitían luz entre el infrarrojo y el verde. Los colores azules y ultravioletas parecían imposibles de lograr. A finales de los 1980 se propuso el uso de nitruro de galio (GaN) en dispositivos multicapa (heteroestructuras y pozos cuánticos). La importancia de lograr LED azules era enorme, ya que permitía el desarrollo de fuentes eficientes de luz blanca para iluminación (combinando LED rojos, verdes y azules). Hay que recordar que la iluminación supone entre el 20% y el 30% de nuestro consumo de energía eléctrica.
La emisión de luz por electroluminiscencia se basa en la existencia de una banda prohibida entre las bandas de valencia y conducción en un material semiconductor. Lograr un material cuya emisión de luz sea en el azul es muy difícil porque se requiere una banda prohibida muy grande. Se estudiaron diferentes materiales compuestos (como ZnSe y SiC), pero al final se logró con GaN, un semiconductor de la clase III-V, con estructura cristalina tipo wurtzita. El GaN tiene una banda prohibida de 3,4 eV, que corresponde al ultravioleta.
El gran problema del uso del GaN era fabricar este material con una calidad cristalina adecuada y de forma eficiente. En los 1970 se probaron muchas técnicas sin éxito. Isamu Akasaki desarrolló nuevas técnicas de crecimiento de GaN sobre zafiro usando una capa de AlN. En 1981, en la Universidad de Nagoya, Japón, empezó a colaborar con Hiroshi Amano y en 1986 logró la técnica que le ha permitido obtener el Premio Nobel de Física 2014 (H. Amano et al., “Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer,” Appl. Phys. Lett. 48: 353, 1986).
Shuji Nakamura (en una empresa privada japonesa) desarrolló un método similar en el que reemplazó la capa de AlN por una fina capa de GaN crecida a baja temperatura (Shuji Nakamura, “GaN Growth Using GaN Buffer Layer,” Japanese Journal of Applied Physics 30: L1705, 1991; Shuji Nakamura et al., “High-Power GaN P-N Junction Blue-Light-Emitting Diodes,” Japanese Journal of Applied Physics 30:L1998, 1991). Nakamura y sus colegas aprovecharon los resultados previos de Akasaki y Amano para desarrollar una técnica de dopado del GaN con Zn (material p) y Mg (material n) para dar lugar a uniones (diodos) pn que emiten luz.
Ampliar en: La Ciencia de la Mula Francis
El origen de la iluminación mediante LED
Oleg Vladimirovich Losev fue el inventor de la iluminación LED. Este técnico de radio ruso pasó muchos años investigando y explorando la tecnología, pero el reconocimiento de dicha invención se hizo de manera póstuma.
Losev, trabajando como técnico de radio, tuvo la ocurrencia de investigar los diodos utilizados en las radios de principios del siglo XX: pues los diodos emitían luz cuando las corrientes eléctricas pasaban por su interior sin crear calor sensible. Por ello, en 1927, publicó su investigación sobre el descubrimiento de los diodos emisores de luz en una de las revistas más prestigiosas de electrónica rusas. Más tarde, patentó “el dispositivo de relé de la luz” con el que los usuarios podían transmitir comunicaciones telefónicas e imágenes a través de relés de alta velocidad.
El paso siguiente, así pues, fue publicar en revistas sobre tecnología en Alemania e Inglaterra sobre las luces LED, intentando incluso contactar con Albert Einstein y así poderse explicar el motivo por el cual los cambios de energía en el material de los electrones producían luz sin calor.
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Adornos navideños cuánticos
Desde hace pocos la iluminación de las calles en las fiestas cambió radicalmente. Además del cambio estético, también supuso un importante cambio tecnológico. Las bombillas incandescentes tradicionales fueron sustituidas por bombillas LED (Light Emitting Diode). La bombilla incandescente, es decir, la bombilla de toda la vida, no tiene nada que ver con estas nuevas bombillas LED, ni tampoco su rendimiento energético.
En la bombilla incandescente, la corriente eléctrica pasa por un filamento de wolframio (o tungsteno) extremadamente delgado -su espesor apenas supera una décima de milímetro- y largo -desenrollado mide más de 2 metros-. Debido a la elevada resistencia eléctrica del filamento, éste se calienta hasta alcanzar temperaturas superiores a los 2000 C. Los objetos que se encuentran a esas temperaturas emiten radiación visible, con lo que la bombilla emite luz. Sin embargo, la mayor parte de la radiación que emiten estas bombillas es infrarroja, que nosotros percibimos en forma de calor. De hecho, esa es la principal causa de la ineficiencia de las bombillas incandescentes, en las que sólo el 10% de la energía aportada se transforma en luz, el resto se pierde en forma de calor.
Las bombillas LED son totalmente diferentes y, aunque pueda parecer extraño, su funcionamiento es una consecuencia directa de la física cuántica. Son luces cuánticas. Curiosamente, el mecanismo que explica la emisión de luz en un LED es el opuesto al efecto fotoeléctrico, por el que Einstein recibiera el Premio Nobel en 1921. Si en el efecto fotoeléctrico la aplicación de luz sobre una material metálico induce una corriente eléctrica, en un LED se crea luz al aplicar corriente. Un LED es un diodo, cuyo componente principal es un semiconductor. Cuando la corriente pasa a través del semiconductor los electrones del diodo aumentan su energía pero inmediatamente después vuelven a su estado energético inicial emitiendo un fotón o, lo que es lo mismo, luz. Estas bombillas apenas se calientan, por lo que son extremadamente eficientes. De hecho, consumen unas 10 veces menos que las bombillas incandescentes, y también duran mucho más, unas 100 veces más, de modo que pueden estar encendidas durante más de 10 años ininterrumpidamente sin fundirse.
Las bombillas LED no son un invento reciente. Se conocen desde la década de los 60. Los primeros diodos emitían luz roja, que ahora son tan frecuentes en los aparatos electrónicos que nos rodean por casa. Posteriormente, se desarrollaron los verdes y a finales de los noventa Shuji Nakamura, que en el 2006 fue galardonado con el premio de la Tecnología del Milenio (considerado como el Premio Nobel de la Tecnología), logró obtener diodos azules. Este fue un gran avance, ya que su combinación con los diodos verdes y rojos permitía la obtención de luz blanca, y ampliar enormemente las aplicaciones tecnológicas de los LED.
A pesar de su ineficiencia, hemos estado utilizando las bombillas incandescentes durante más de 100 años. Sin embargo, gracias a la apuesta decidida de Europa por el ahorro energético, su venta ya está prohibida. No es un gran problema, ya que tenemos muchas alternativas: las luces halógenas (que también son incandescentes y, por lo tanto, no muy eficientes), las fluorescentes de bajo consumo y, cómo no, las bombillas LED, que dentro de pocos años, tan pronto bajen algo más su precio, serán las que seguramente iluminen nuestros hogares.
Retomando el debate del derroche energético del alumbrado navideño, en una ciudad como Bilbao sólo se necesitan 125 kW de potencia para alumbrar las más de las 500000 bombillas LED que se han instalado. Considerando que las luces sólo se encienden desde las 18 hasta las 22, y que el precio actual del kW-h ronda los 0.1 euros, ¡el coste diario no supera los 50 euros! No es para tanto, ¿no? En fin, si realmente contribuye a fomentar el optimismo ciudadano en estas Navidades me parece que es asumible. Por supuesto, no siempre ha sido igual. Antes del alumbrado cuántico, cuando se utilizaban las bombillas incandescentes tradicionales, el consumo era unas diez veces mayor.
Fuente: Cuaderno de Cultura Científica
Los puntos cuánticos aclaran el futuro de la iluminación
Con la edad de la bombilla incandescente desvaneciéndose rápidamente, el santo grial de la industria de la iluminación es el desarrollo de una forma muy eficiente de iluminación de estado sólido que produzca luz blanca de alta calidad.
Una de las pocas tecnologías alternativas que producen luz blanca pura son los puntos cuánticos. Estos son ultrapequeñas perlas fluorescentes de seleniuro de cadmio que pueden convertir la luz azul producida por un LED en una luz blanca cálida con un espectro similar al de la luz incandescente. (Por el contrario, los tubos fluorescentes compactos y la mayoría de los LEDs de luz blanca emiten una combinación de colores monocromáticos que simulan la luz blanca).
Hace siete años, cuando de luz blanca de los puntos cuánticos fueron descubiertos accidentalmente en un laboratorio de química de Vanderbilt, su eficiencia era demasiado baja para aplicaciones comerciales y varios expertos predijeron que sería imposible elevarla a niveles prácticos. Hoy, sin embargo, investigadores de Vanderbilt han demostrado que esas predicciones equivocadas al informar que se ha logrado incrementar la eficiencia de fluorescencia de estos nanocristales a partir de un nivel inicial de tres por ciento hasta un máximo de 45 por ciento.
Posibles aplicaciones comerciales
«Cuarenta y cinco por ciento es tan alta como la eficiencia de algunos fósforos comerciales lo que sugiere que los puntos cuánticos de luz blanca se pueden utilizar ahora en algunas aplicaciones de iluminación especiales», dijo Sandra Rosenthal, Jack y Pamela Egan, quien dirigió la investigación que se describe en línea en el Journal of the American Chemical Society. «El hecho de que hemos impulsado con éxito su eficacia en más de 10 veces también significa que debe ser posible mejorar su eficiencia aún más.»
La medida general para la eficiencia global de los dispositivos de iluminación se llama eficiencia luminosa y mide la cantidad de luz visible (lúmenes) que un dispositivo produce por vatio. Una bombilla incandescente produce alrededor de 15 lúmenes por vatio, mientras que unos tubos fluorescentes dan alrededor de 100 lúmenes por vatio. Los LED de luz anca blen la actualidad en el mercado van de 28 a 93 lúmenes por vatio.
«Calculamos que si se combinan los puntos cuánticos con la mejora de la radiación ultravioleta más eficiente de LED, el dispositivo híbrido tendría una eficiencia luminosa de alrededor de 40 lúmenes por vatio,» afirmó James McBride, profesor asistente de investigación de química que ha estado involucrado en la investigación desde su creación. «Hay mucho espacio para mejorar la eficiencia de los LEDs UV y las mejoras se traducen directamente en una mayor eficiencia en el híbrido.»
Un descubrimiento accidental
Los puntos cuánticos fueron descubiertos en 1980. Son gotas de material semiconductor – el material del que están hechos los transistores – que son tan pequeños que tienen propiedades electrónicas, intermedias entre las de semiconductores y las moléculas individuales. Una de sus propiedades útiles es la fluorescencia que produce colores distintos determinados por el tamaño de las partículas. Cuando el tamaño de los nanocristales se contrae, la luz que emiten cambia de rojo a azul. El descubrimiento de Vanderbilt fue ultrapequeños puntos cuánticos, que contiene sólo 60 a 70 átomos, que emiten blanco en lugar de la luz monocromática.
«Estos puntos cuánticos son tan pequeñas que casi todos los átomos están en la superficie, por lo que la emisión de luz blanca es intrínsecamente un fenómeno de superficie», dijo Rosenthal.
Uno de los primeros métodos utilizados en el intento de iluminar los nanocristales es «bombardeo» – cultivo de una cáscara alrededor de ellos hecha de un material diferente, como sulfuro de cinc. Por desgracia, el encapsulado extingue el efecto de la luz blanca y los puntos cuánticos producen sólo color claro.
Químicos siguiendo el olfato
A raíz de una iniciativa de algunas investigaciones llevadas a cabo en la Universidad de Carolina del Norte, los investigadores decidieron ver si el tratamiento de los puntos cuánticos con sales de metales tienen un efecto de iluminación. Se dieron cuenta de que algunas de las sales parecían producir una pequeña – mejora, pero perceptible – 10 a 20 por ciento.
«Eran las sales de acetato y que olían un poco como el ácido acético», dijo McBride. «Sabíamos que el ácido acético se une a los puntos cuánticos, así que decidimos darle una oportunidad.»
La decisión de seguir a su nariz resultó ser afortunada. El tratamiento con ácido acético llevaba la eficiencia de los puntos cuánticos fluorescentes de ocho por ciento al 20 por ciento!
El ácido acético es un miembro de la familia del ácido carbocíclico. Así, los investigadores trataron a los demás miembros de la familia. Ellos encontraron que el miembro más simple y más ácido – ácido fórmico, el producto químico que las hormigas utilizan para marcar sus caminos – trabajó mejor, empujando a la eficiencia hasta un 45 por ciento.
La mejora del brillo ha un efecto secundario inesperado. Cambió el pico del espectro de color de los puntos cuánticos poco en el azul. Esto es irónico, porque la principal queja de los LEDs de luz blanca es que la luz que producen tiene un tinte azul desagradable. Sin embargo, los investigadores sostienen que ellos saben cómo corregir el balance de color de la luz generada.
El siguiente paso de los investigadores es probar diferentes métodos para encapsular los puntos cuánticos mejorados .
Fuente: EurekAlert!
Iluminación OLED de Philips
La tecnología OLED ocupa un lugar central en la visión de Philips sobre la iluminación de interiores del futuro. Por primera vez, Philips ha creado un panel OLED suficientemente brillante para ser usado en iluminación funcional.
Según OLED Info, “Este es el primer OLED que rompe la barrera de ‘iluminación funcional’, ya que el nuevo panel desarrollado por Philips alcanza un brillo de 115 lm”. Pero hay un problema, el mismo que ha hecho que Philips se centre nuevamente en los pequeños displays de dispositivos móviles y poco más. “El problema principal con el GL350 es que no es muy eficiente: 16.5 lm/W, lo que no lo hace muy adecuado para la iluminación general”.
Otras datos técnicos: la luminancia es de 4000 cd/m2, la temperatura del color es 3250K y tiene un CRI de 90. La vida del panel se estima en 10 000 horas. Philips planea distribuirlos en unidades compuestas por tres paneles.
Fuente: ISon21
Método de fabricación que abre el camino para la viabilidad comercial de LEDs basados en puntos cuánticos
Investigadores de la universidad de la Florida puede ayudar a resolver el debate público sobre el futuro de las fuentes de iluminación en los Estados Unidos: bombilla incandescente de Edison o las más eficientes energéticamente, las lámparas fluorescentes compactas. Podría ser ninguna de ellas.
En cambio, las necesidades futuras de iluminación de los Estados Unidos pueden ser suministrado por un nuevo tipo de diodo emisor de luz , o LED, que evoca la luz del mundo invisible de los puntos cuánticos (QD). Según un artículo publicado en la edición en línea actual de la revista Nature Photonics, mover un QD LED del laboratorio al mercado está a un paso más cercano a la realidad gracias a un nuevo proceso de fabricación, diseñado por primera vez por dos equipos de investigación en el departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería.
«Nuestro trabajo abre el camino para la fabricación eficiente y estable de puntos cuánticos basados en LED con un coste realmente bajo, lo cual es muy importante si queremos ver un uso generalizado de estos LEDs comerciales en grandes superficies a todo color de las pantallas planas o como fuentes de iluminación de estado sólido para reemplazar las luces incandescentes y fluorescentes existentes «, dijo Xue Jiangeng, el líder de la investigación y profesor asociado de ciencia de los materiales e ingeniería «Los costes de fabricación se redujeron significativamente para estos dispositivos, en comparación con la forma convencional de hacer dispositivos semiconductores LED «.
Una parte importante de la investigación llevada a cabo por el equipo de Xue se centró en la mejora de los LED’s orgánicos. Estos semiconductores son estructuras de varias capas compuestas por materiales orgánicos finos, como los polímeros plásticos, que se utilizan para encender los sistemas de visualización en monitores de ordenador, pantallas de televisión, así como los dispositivos más pequeños, como reproductores MP3, teléfonos móviles, relojes, y otros electrónicos portátiles dispositivos. Los OLED son cada vez más populares entre los fabricantes, ya que utilizan menos energía y generan imágenes más brillantes y nítdas que las producidas por las pantallas LCD convencionales. Paneles ultradelgados OLED también se utilizan como sustitutos de las bombillas tradicionales y pueden ser la próxima gran novedad en 3-D.
Como complemento del equipo de Xue. otro encabezado por Paul Holloway, profesor de ciencia de los materiales e ingeniería en la Universidad de Florida, que ahondó en puntos cuánticos. Estas nanopartículas son pequeños cristales de sólo unos pocos nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho, compuesta de una combinación de átomos de zinc, azufre, selenio y cadmio. Cuando son excitados por la electricidad, los puntos cuánticos emiten una serie de luces de colores. Los colores individuales varían en función del tamaño de los puntos. El ajuste de los colores se consigue controlando el tamaño de los puntos cuánticos durante el proceso de síntesis.
Al integrar el trabajo de ambos equipos, los investigadores crearon un híbrido de alto rendimiento LED, compuesto por capas orgánicas y QD base. Hasta hace poco, sin embargo, los ingenieros de la Universidad de Florida y en otros lugares se han en un enfrentado con un problema de fabricación que impedía el desarrollo comercial. Un proceso industrial conocido como deposición al vacío es la forma común de situar las moléculas orgánicas necesarias en el lugar para llevar la electricidad a los puntos cuánticos. Sin embargo, un proceso de fabricación diferente llamado spin-coating, se utiliza para crear una capa muy fina de puntos cuánticos. Tener que utilizar dos procesos separados ralentiza la producción y eleva los costos de fabricación.
De acuerdo con el artículo de Nature Photonics, los investigadores de la UF superaron este obstáculo con una estructura de sistema patentado que permite depositar todas las partículas y moléculas necesarias en el LED en su totalidad con spin-coating. La estructura del dispositivo también mejoró significativamente los rendimientos de la eficiencia del dispositivo y la vida útil en comparación con informes anteriores de dispositivos QD basados en LED.
Spin-coating, no puede ser la solución final de fabricación, sin embargo. «En términos de fabricación del producto real, hay muchas otras etapas de procesamiento continuo de alto rendimiento «roll-to-roll«, procesos de impresión o recubrimiento que podríamos utilizar para la fabricación de pantallas de gran área o dispositivos de iluminación», dijo Xue. «Esto seguirá siendo un tema de futuras investigaciones y desarrollo para la universidad y una empresa de nueva creación, NanoPhotonica, que ha licenciado la tecnología y se encuentra en medio de un programa de desarrollo de la tecnología para aprovechar el avance de fabricación.»
Fuente: Universidad de la Florida
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