Suscripción RSS

Suscripción por correo electronico

Contacto

extension.csfisicas@ufrontera.cl

www.facebook.com/FisicaUFRO

www.twitter.com/FisicaUFRO

POSTGRADO

Nobel de Física 2014, la búsqueda perpetua de la eficiencia energética

Usar puntuación: / 10
MaloBueno 
Hits smaller text tool iconmedium text tool iconlarger text tool icon

Este año la Academia Sueca de Ciencias hizo el anuncio del Premio Nobel de Física que fue otorgado a tres Investigadores Japoneses: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura. El Comité Nobel , en su anuncio manifiesta que la razón por la que se otorga el galardón es "... la invención de  diodos emisores de luz  azules eficientes que ha permitido fuentes de luz blanca brillantes y ahorradoras de energía."

Al escuchar las entrevistas telefónicas, que el Comité realiza a los galardonados, llama la atención lo inesperado que fue para ellos. Especialmente para el Profesor Nakamura, quién afirma su creencia de que el Nobel se otorgaba por desarrollar o comprobar experimentalmente una teoría nueva y no por el desarrollo de un dispositivo. Este sentimiento de sorpresa no es ajeno a la comunidad científica, pues a primera vista parece raro que se otorgara un premio por desarrollar un diodo emisor de luz, algo que en los 60 ya era conocido.

Uno estaría tentado a afirmar que se otorgó el Nobel por descubrir la combinación de materiales y/o los principios físicos para los LED-azules. Pero este no es el caso, los principios físicos de funcionamiento del diodo emisor de luz así como las propiedades de los materiales que podían proporcionar luz de diferentes colores, incluida el azul, ya eran conocidos dos décadas antes de que apareciera el primer diodo emisor de luz azul. Esto explica la sorpresa de Nakamura.

 

A mi juicio el galardón está largamente justificado por el impacto que el desarrollo de este dispositivo ha tenido en la tecnología de iluminación y de dispositivos electrónicos. Usando LEDs de color rojo, verde y azul, en diferentes proporciones, es posible obtener no solo luz blanca sino también los diferentes colores del espectro visible, lo que es clave en las pantallas de dispositivos electrónicos y su consumo de energía, así como la codificación de información.

Pero los LEDs azules a diferencia de los verdes y rojos son importante por sí solos. Una razón es que basta uno de estos para generar luz blanca de manera eficiente. Esto hace que se reduzcan los costos de iluminación de las ciudades y además abre la posibilidad de iluminar sectores del planeta en donde ni siquiera es posible tener energía eléctrica convencional. Su alta eficiencia hace que requiera poca energía para funcionar, energía que puede obtenerse del sol, el viento u otro método no convencional. Otra razón es que debido a su alto brillo puede usarse para destruir bacterias de manera eficiente y  de esta forma proporcionar, por ejemplo, agua de mejor calidad en lugares remotos, así como también, mejorar las condiciones de salubridad de dichas zonas. Coincido plenamente con el comité Nobel que ha considerado que este premio está "...en el espíritu de Alfred Nobel el premio recompensa un invento de mayor beneficio a la humanidad.."

La comprensión del evidente impacto que el LED azul tiene y tendrá en el desarrollo futuro de la humanidad podría hacernos pensar que este premio tuvo poco que ver con la Física. Nada más alejado de la realidad. Como mencioné antes la existencia del LED azul era voz populi en los 50. En los 60 se había medido la foto-luminiscencia del nitrato de galio GaN, y se demostró que este compuesto posee la transición adecuada para emitir luz azul.

EL PROBLEMA DE OBTENER FUENTES LUMINOSAS EFICIENTES

En este punto es necesario aclarar que el asunto no estriba en obtener luz azul, sino más bien obtenerla de manera eficiente. La única forma de lograr eficiencias altas es controlar el más mínimo detalle el proceso de emisión de luz.

La emisión de luz es una consecuencia de las transiciones electrónicas desde estados cuánticos excitados (inestables) hasta estados de energía más baja (estables). Ese es el mecanismo más utilizado por la naturaleza y las tecnologías desarrolladas no escapan de este principio. En el caso de una ampolleta tradicional de tungsteno (incandescente), la corriente eléctrica calienta el material del filamento logrando que los electrones se exciten a estados de energía altos. Los electrones al volver a su estado de energía más bajo, emiten luz en el proceso. El punto es que en una ampolleta de filamento no hay control alguno sobre las transiciones electrónicas las cuales ocurren de manera aleatoria. Por otro lado, la mayoría de la energía se pierde en colisiones de los electrones  con otros electrones o con el resto del material del filamento, esta pérdida se manifiesta en las altas tasas  de calentamiento que presentan. Además, el espectro de emisión es continuo y en su mayoría escapa al espectro visible (infrarrojo y UV). El espectro depende exclusivamente de la temperatura del filamento. Para poder radiar luz visible se requiere temperatura del filamento hasta temperaturas por arriba de los 3000 . Las altas temperaturas necesarias impactan también en la duración del material y en la vida útil de la ampolleta.

Ciertos materiales tienen átomos que poseen naturalmente transiciones electrónicas en el visible. Los más usados son los fósforos, que son compuestos fluorescentes. La fluorescencia es la propiedad  por la cual los electrones de los átomos que componen el material se excitan a diferentes estados, producto de la absorción de radiación electromagnética. En el proceso de regreso al equilibrio de los electrones, se emite luz cuyos colores están en el espectro visible. El diseño del fósforo se ajusta para que mediante el uso de radiación de excitación adecuada solo se produzca luz del espectro visible, necesario para formar la luz blanca. Controlando la energía de excitación suministrada al fósforo, se puede lograr que la conversión de luz de un solo color a luz blanca sea eficiente. Note que la fluorescencia requiere como ingrediente energía en forma de radiación electromagnética (típicamente UV o Visible). Una lámpara fluorescente justamente ocupa luz UV, la que es emitida por átomos de mercurio en estado gaseoso que se encuentran en el interior del tubo. Las paredes del tubo fluorescente se recubre con un tipo de fósforo adecuado el cual, al absorber la radiación UV, emite luz blanca.

En este tipo de tecnologías las pérdidas están no en la fluorescencia sino en la fuente UV. En una lámpara fluorescente la radiación UV se obtiene gracias a la colisión de electrones libres con los átomos de mercurio, atrapados en el tubo. El problema es que estas colisiones ocurren con frecuencias bajas por lo que se requiere mantener un flujo permanente de electrones para aumentar el número de estas colisiones a costa del consumo. Gran parte de la energía, consumida por estos dispositivos, se emplea en mantener los electrones viajando al interior del tubo para que puedan sufrir colisiones.

A pesar de ello, hacer girar electrones dentro de un tubo es menos costoso que calentar un material por arriba de 3000. Además la mayoría de la radiación UV se emplea en la generación de luz visible, a diferencia de las ampolletas convencionales que como vimos, emiten radiación que no vemos haciendo menos eficiente el proceso.

La conclusión inmediata es que si se tuviera un sistema que genere eficientemente radiación de un color determinado, podemos usar la fluorescencia de los fósforos para producir luz blanca eficientemente. La fluorescencia produce radiación de frecuencia más baja que la que estimula el material. Esto significa que si se quiere luz blanca, debemos usar como mínimo luz cuya frecuencia, y por tanto energía, esté en el límite superior del espectro visible y esa corresponde  al color azul o violeta.

Adicionalmente, existen razones asociadas a la durabilidad de los materiales irradiados con UV que hacen que sea más conveniente usar luz azul. La radiación UV puede provocar deterioro de los materiales más eficientemente que la luz visible. Al igual que con la piel humana, la exposición prolongada a radiación UV intensa puede dañar severamente los materiales que componen los fósforos, limitando su vida útil. Esto es más crítico si se tiene en cuenta que son LEDs brillantes (intensidades relativamente altas) de lo que estamos hablando. No hay que pasar por alto que uno de los aspectos claves de las tecnologías amigables con el ambiente es la utilidad prolongada en el tiempo.

CONTROLANDO EL PROCESO DE EMISIÓN DE LUZ AZUL

De lo que se ha analizado arriba, puede concluirse que lo ideal sería:

a) que existieran solo dos estados cuánticos posible,

b) que cuando un electrón pase del estado excitado al de equilibrio emita luz del color deseado (azul en este caso)

c) que un número grande de electrones realicen la transición al mismo tiempo y de manera directa.

Un LED es justamente ese sistema. Como dijo anteriormente, se sabía que los compuestos de GaN (nitrato de galio) tenían esos dos niveles electrónicos que cumplían con las condiciones a) y b). También se sabía en teoría que si se insertan impurezas en estos materiales (dopado) se generan las condiciones para que la transición ocurra de manera eficiente con el mínimo costo de energía. Además se sabía que si se juntan capas de este material (hetero-estructuras), cada capa dopada de manera apropiada, es posible acumular muchos electrones en el estado excitado. Este último paso es importante pues si muchos electrones realizan al mismo tiempo la transición entonces la fuente de luz será más brillante (intensa). Las hetero-estructuras permiten acumular electrones que realicen las transiciones directas reduciendo las pérdidas y por tanto aumentando la eficiencia.

Ese era justamente el problema, que todo lo que se sabía era teoría para el caso del GaN. Las técnicas de fabricación de diodos, apropiadas para el caso del la luz roja y verde, no funcionaban apropiadamente para la elaboración de estructuras cristalinas de GaN.  Tampoco las técnicas de dopado permitían insertar apropiadamente las impurezas necesarias (Al)en el caso de dopado y formación de hetero-estructuras. Akasaki y su estudiante Amano desarrollaron  la técnica conocida como MOVPE (Metalorganic vapour phase epitaxy) la les permitió crecer los cristales de GaN con una calidad muy alta. En 1986 lograron obtener cristales de alta calidad. El siguiente paso fue dopar estos cristales con materiales como Mg y Zn, estos materiales al ser insertados en los cristales GaN formaban complejos con el Oxígeno que los volvían inertes, es decir, no producían el defecto de electrones necesarios para la transición y posterior generación de luz. Nakamura mostró que irradiando los cristales dopados con electrones se lograba disociar las impurezas del oxígeno y conseguir mejores condiciones de dopado. Posteriormente, Nakamura mostró que mediante un recalentado simple (tratamiento térmico usado para obtener nuevas propiedades de los materiales) era posible activar eficientemente las impurezas de Mg.

En 1994 se dio el paso final, es decir la realización controlada de hetero-junturas. En este año se lograron juntar exitosamente capas de AlGaN/GaN (Akasaki) y combinaciones de InGaN/GaN y InGaN/AlGaN (Nakamura). Este último desarrollo hizo posible que los primeros LED azules tuvieran eficiencias del 2.5%.

Como puede deducirse de los últimos párrafos, el proceso de desarrollo de los LED Azul, no fue el simple desarrollo de un dispositivo sino que significó un esfuerzo enorme en la comprensión de la formación de estructuras cristalinas, el desarrollo de nuevas técnicas para su crecimiento, el entendimiento de nuevos procesos de tratamiento y fundamentalmente el entendimiento de la física de un material en particular GaN.

EL FUTURO DEL LED AZUL

La característica destacada de los LED de estado sólido es su baja producción de calor lo cual hace que el dispositivo sea duradero, esto unido a la eficiencia que redunda en bajo consumo hacen que este dispositivo muy difícil de superar en el futuro mediato.

Sin embargo, existen desarrollos de dispositivos emisores de luz, como los OLED (LED orgánicos) cuya principal promesa es mejorar la calidad de la luz proporcionada. Otra ventaja es la facilidad de su fabricación pues lo OLED a diferencia de los LED no requieren técnicas muy sofisticadas para su fabricación. Esto hace prever que el futuro de la iluminación no estará únicamente gobernado por los LED.

Al finalizar, me permito destacar la tenacidad con la que estos tres laureados con el Nobel de Física 2014 desarrollaron su trabajo, siendo prácticamente los únicos en el mundo interesados en entender las propiedades físicas para llegar a desarrollar este dispositivo. Mientras grandes compañías se centraron en explotar la tecnología de los diodos IR y rojos cuyas técnicas de elaboración eran conocidas y dominadas desde los 60s, el trío de ganadores decidió enfocar su energía y esfuerzos en superar estos problemas.