Em 22/05: SHUJI NAKAMURA

★22/05/1954
Cientista de materiais americano nascido no Japão que recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2014 por inventar diodos emissores de luz azul (LEDs). Ele dividiu o prêmio com os cientistas de materiais japoneses Akasaki Isamu e Amano Hiroshi.

Nakamura recebeu os graus de bacharel (1977) e mestrado (1979) em engenharia eletrônica pela Universidade de Tokushima. Em 1979 ele foi trabalhar para uma pequena empresa chamada Nichia Chemical em Tokushima. Ele trabalhou inicialmente no cultivo de cristais de fosfeto de gálio e arseneto de gálio para LEDs. No entanto, as vendas desses produtos foram decepcionantes, pois Nichia estava competindo com rivais muito maiores. Em meados da década de 1980, a Nichia decidiu produzir LEDs completos. Nakamura aprendeu sozinho as técnicas necessárias para produzir LEDs infravermelhos e vermelhos de alta qualidade, mas também não tiveram sucesso comercial.

Nakamura sentiu que Nichia precisava desenvolver um produto que não competisse com o de outras empresas maiores. Esse produto seria o LED azul. Os cientistas produziram LEDs que emitiam luz vermelha ou verde, mas as tentativas de fazer LEDs azuis não tiveram sucesso. Se desenvolvido, o LED azul poderia ser combinado com LEDs vermelhos e verdes para produzir luz branca por uma fração do custo da iluminação incandescente e fluorescente. O supervisor de Nakamura o desencorajou observando que o LED azul tinha sido procurado por décadas por pesquisadores muito mais bem financiados. Em 1988, Nakamura foi direto para o CEO de Nichia, Ogawa Nobuo, exigindo mais de $ 3 milhões (dólares americanos) em financiamento e um ano na Universidade da Flórida, Gainesville, para aprender a deposição de vapor químico metalorgânico para produzir os semicondutores para o LED azul. Para a surpresa de Nakamura, Ogawa aceitou suas demandas.

Após seu retorno da Flórida em 1989, Nakamura decidiu pelo nitreto de gálio (GaN) como o material que ele usaria para o LED azul, principalmente porque a maioria dos outros pesquisadores usava seleneto de zinco, que era mais fácil de trabalhar. Cristais de GaN de alta qualidade eram muito difíceis de crescer. Além disso, em um LED, a luz é emitida quando a corrente flui através de uma junção p-n, a interface entre um semicondutor tipo p e um tipo n, e ninguém foi capaz de produzir GaN tipo p. Nakamura resolveu o primeiro problema em 1990, cultivando uma camada de cristal de GaN em baixas temperaturas e, em seguida, camadas adicionais de GaN em cima dela em temperaturas mais altas. Em 1992, ele cresceu com sucesso o GaN tipo p. (Trabalhando de forma independente ao mesmo tempo, Akasaki e Amano desenvolveram LEDs azuis usando técnicas diferentes.)

Em 1994, Nakamura recebeu o doutorado em engenharia pela Universidade de Tokushima. Ele então trabalhou na produção de um diodo laser azul usando GaN. Em 1995 ele teve sucesso e, quatro anos depois, Nichia começou a vender diodos laser azuis.

Nakamura deixou Nichia – não mais uma empresa com dificuldades, devido ao LED azul e laser – em 1999 e se tornou um professor no departamento de materiais da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, em 2000. Nichia pediu que Nakamura assinasse um acordo de confidencialidade estipulando que ele não trabalha com LEDs há vários anos. A Universidade da Califórnia aconselhou Nakamura a não assinar, e Nichia o processou por violação de segredos comerciais. Nakamura compensou em 2001 por 20 bilhões de ienes (US $ 193 milhões) em royalties sobre o LED azul. (Antes disso, Nakamura havia recebido apenas um prêmio de 20.000 ienes [$ 180] por sua invenção.) Ele ganhou o processo em 2004, mas Nichia apelou, e o acordo foi reduzido para 840 milhões de ienes ($ 8,1 milhões) em 2005. Nakamura ficou Insatisfeito com o resultado, o processo foi um marco na lei de propriedade intelectual japonesa.

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Gregersen, Erik. “Shuji Nakamura”. Encyclopedia Britannica,
https://www.britannica.com/biography/Shuji-Nakamura. Accessed 21 May 2021.

Meu prêmio Nobel favorito: o LED azul que ilumina o mundo moderno

Uma nova tonalidade: os LEDs azuis iluminam o século XXI.

De todos os prêmios Nobel de física concedidos nos últimos 60 anos, aquele com maior impacto na vida cotidiana é, sem dúvida, aquele compartilhado pelo em 2014. Como coinventores do LED azul, este trio nascido no Japão deu início a uma mudança dramática na forma como vemos o mundo. Você teria que voltar ao prêmio de 1956 – compartilhado pelos inventores dos transistores John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley – para encontrar uma descoberta laureada pelo Nobel que desencadeou uma transformação equivalente.

Os LEDs são incrivelmente eficientes, exigindo cerca de 90% menos energia do que as lâmpadas incandescentes para produzir a mesma quantidade de luz. Embora algumas dessas economias de energia estejam sendo canceladas à medida que se torna financeiramente viável iluminar áreas antes escuras, a eficiência do LED ainda é um grande passo quando você considera que 20-30% da eletricidade consumida nas sociedades industriais vai para a iluminação. Mas o surgimento da iluminação LED como um produto comercial convencional nunca teria ocorrido se não fosse o trabalho de Akasaki, Amano e Nakamura. Ao desenvolver um LED azul para acompanhar as versões vermelha e verde inventadas décadas antes, os laureados de 2014 tornaram possível criar LEDs de luz branca – transformando uma tecnologia de nicho em onipresente de uma só vez.

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura ganham o Prêmio Nobel de Física de 2014

Não que fosse fácil. Akasaki, Amano e Nakamura começaram seu trabalho pioneiro na década de 1980, quando Akasaki e Amano eram pesquisadores da Universidade de Nagoya e Nakamura trabalhava em uma pequena empresa chamada Nichia Chemicals. Durante anos, parecia que o material escolhido – um semicondutor cristalino chamado nitreto de gálio, ou GaN – não iria cooperar. Até mesmo fazer os cristais crescerem exigiu esforço. Então, no início da década de 1990, primeiro Akasaki e Amano, e depois Nakamura, usaram uma técnica chamada epitaxia de fase de vapor metalorgânica para depositar filmes finos de GaN de alta pureza em substratos. Depois disso, o próximo desafio foi introduzir o dopagem-p para produzir a junção p-n necessária. Assim que esse obstáculo foi superado, o primeiro LED azul de alto brilho o seguiu.

Em meados dos anos 2000, lâmpadas revestidas de fósforo que transformavam a luz LED azul em uma luz branca um tanto “fria” estavam prontamente disponíveis nas lojas. Posteriormente, as versões “mais quentes” substituíram não apenas as lâmpadas incandescentes, mas também os halogênios e os dispositivos fluorescentes compactos. Como observa o site do Prêmio Nobel, o século 20 foi iluminado por lâmpadas incandescentes; obrigado a Akasaki, Amano e Nakamura; o século 21 está sendo iluminado por lâmpadas LED. E quantas outras descobertas ganhadoras do Prêmio Nobel você pode comprar por menos de dez libras em sua loja local?

fonte
https://physicsworld.com/a/my-favourite-nobel-prize-the-blue-led-that-lights-up-the-modern-world/

LED
LED, em diodo emissor de luz total, na eletrônica, um dispositivo semicondutor que emite luz infravermelha ou visível quando carregado com uma corrente elétrica. Os LEDs visíveis são usados ​​em muitos dispositivos eletrônicos como lâmpadas indicadoras, em automóveis como vidros traseiros e luzes de freio, e em outdoors e placas como displays alfanuméricos ou até pôsteres coloridos. LEDs infravermelhos são empregados em câmeras de foco automático e controles remotos de televisão e também como fontes de luz em sistemas de telecomunicações de fibra óptica.

A lâmpada familiar emite luz por meio da incandescência, fenômeno no qual o aquecimento de um filamento de fio por uma corrente elétrica faz com que o fio emita fótons, os pacotes básicos de energia da luz. Os LEDs operam por eletroluminescência, fenômeno no qual a emissão de fótons é causada pela excitação eletrônica de um material. O material usado com mais frequência em LEDs é o arseneto de gálio, embora haja muitas variações desse composto básico, como arsenieto de alumínio e gálio ou fosfeto de alumínio e gálio e índio. Esses compostos são membros do chamado grupo III-V de semicondutores – ou seja, compostos feitos de elementos listados nas colunas III e V da tabela periódica. Variando a composição precisa do semicondutor, o comprimento de onda (e, portanto, a cor) da luz emitida pode ser alterado. A emissão de LED está geralmente na parte visível do espectro (ou seja, com comprimentos de onda de 0,4 a 0,7 micrômetro) ou no infravermelho próximo (com comprimentos de onda entre 0,7 e 2,0 micrômetro). O brilho da luz observada em um LED depende da potência emitida pelo LED e da sensibilidade relativa do olho no comprimento de onda emitido. A sensibilidade máxima ocorre em 0,555 micrômetro, que está na região amarelo-laranja e verde. A tensão aplicada na maioria dos LEDs é bastante baixa, em torno de 2,0 volts; a corrente depende da aplicação e varia de alguns miliamperes a várias centenas de miliamperes.

O termo diodo refere-se à estrutura do terminal duplo do dispositivo emissor de luz. Em uma lanterna, por exemplo, um filamento de fio é conectado a uma bateria por meio de dois terminais, um (o ânodo) carregando a carga elétrica negativa e o outro (o cátodo) carregando a carga positiva. Em LEDs, como em outros dispositivos semicondutores, como transistores, os “terminais” são na verdade dois materiais semicondutores de composição e propriedades eletrônicas diferentes reunidos para formar uma junção. Em um material (o semicondutor negativo, ou tipo n), os portadores de carga são elétrons e, no outro (semicondutor positivo ou tipo p), os portadores de carga são “buracos” criados pela ausência de elétrons. Sob a influência de um campo elétrico (alimentado por uma bateria, por exemplo, quando o LED é ligado), a corrente pode ser feita fluir através da junção p-n, fornecendo a excitação eletrônica que faz com que o material luminescente.

Em uma estrutura típica de LED, a cúpula de epóxi transparente serve como um elemento estrutural para manter o quadro de chumbo unido, como uma lente para focar a luz e como um índice de refração para permitir que mais luz escape do chip de LED. O chip, normalmente 250 × 250 × 250 micrômetros de dimensão, é montado em um copo refletor formado no quadro de chumbo. As camadas de GaP: N do tipo p-n representam nitrogênio adicionado ao fosfeto de gálio para dar emissão verde; as camadas de GaAsP: N do tipo p-n representam nitrogênio adicionado ao fosforeto de arseneto de gálio para dar emissão laranja e amarela; e a camada de GaP: Zn, O do tipo p representa zinco e oxigênio adicionados ao fosfeto de gálio para dar a emissão vermelha. Duas outras melhorias, desenvolvidas na década de 1990, são os LEDs baseados em fosforeto de alumínio e gálio e índio, que emitem luz com eficiência do verde ao vermelho-laranja, e também LEDs emissores de azul baseados em carboneto de silício ou nitreto de gálio. LEDs azuis podem ser combinados em um cluster com outros LEDs para fornecer todas as cores, incluindo branco, para telas móveis coloridas.

Qualquer LED pode ser usado como fonte de luz para um sistema de transmissão de fibra óptica de curto alcance, ou seja, a uma distância de menos de 100 metros (330 pés). Para fibra óptica de longo alcance, no entanto, as propriedades de emissão da fonte de luz são selecionadas para coincidir com as propriedades de transmissão da fibra óptica e, neste caso, os LEDs infravermelhos são uma combinação melhor do que os LEDs de luz visível. As fibras ópticas de vidro sofrem suas menores perdas de transmissão na região do infravermelho em comprimentos de onda de 1,3 e 1,55 micrômetro.

Para corresponder a essas propriedades de transmissão, são utilizados LEDs feitos de fosfeto de arsenieto de gálio e índio em camadas sobre um substrato de fosfeto de índio. A composição exata do material pode ser ajustada para emitir energia precisamente em 1,3 ou 1,55 micrômetros.

LEIA O TEXTO ORIGINAL EM INGLÊS
Britannica, The Editors of Encyclopaedia. “LED”. Encyclopedia Britannica,
https://www.britannica.com/technology/LED. Accessed 21 May 2021.