Nobelt ljus spar energi

Foto: Göran BillesonÅrets Nobelpris i fysik gick till en teknik som är till ”största nytta för mänskligheten” – en utmärkelse helt i Alfred Nobels anda.

De effektiva blå lysdioderna har potential att kraftigt minska förbrukningen av energi för att lysa upp vår värld. Idag står belysning för 20 procent av den globala energianvändningen och den andelen förväntas sjunka till 15 procent. Lysdioder kan drivas med solceller och därmed också sprida ljus över de fattigaste delarna av världen, där de också får stor betydelse för alla de barn som behöver ljus för att kunna läsa sina läxor.

Materialet den stora akilleshälen

Men vägen från de första experimenten på 1960-talet till dagens belysningsteknik har inneburit många svårforcerade uppförsbackar. Årets Nobelpristagare Isamu Akasaki, Meijo University och Nagoya University, Japan, Hiroshi Amano, Nagoya University, Japan, samt Shuji Nakamura, University of California, USA, har under decennier vigt sitt liv åt forskning för att få fram det nobla blå ljuset.

– Det är fantastiskt roligt att de lyckades och även hann bli belönade under sin livstid, säger Per-Olof Holtz, professor och materialforskare på Linköpings universitet (till höger på nedersta bilden), som i många år samarbetat med främst Amano och Akasaki. De har drygt 30 gemensamma vetenskapliga publikationer.

Den största nöten att knäcka har varit, och är fortfarande, att få fram tillräckligt bra material – material utan alltför många defekter som sätter ner effektiviteten på lysdioderna.

Blåa ljuset knepigare att få fram

Röda lysdioder har funnits länge, de tillverkas oftast av legeringar med galliumarsenid eller galliumfosfid. Men för att få fram ett effektivt blått ljus behövs nitrid-baserade halvledare. Det är stabila material som tål höga temperaturer och har goda elektriska egenskaper. De förekommer inte i flytande form och kan därför inte framställas genom att kyla en smälta.

Problemet löstes i mitten av 1990-talet då de Nobelpris-belönade forskarna hittade en metod där de förde samman gaser innehållande gallium och kväve som vid rätt tryck och temperatur bildade en kristallstruktur av galliumnitrid på ett substrat av safir (en aluminiumoxid)

Men materialet har defekter.
Foto: Göran Billeson
– När en kristallstruktur av galliumnitrid läggs på en annan kristallstruktur, i detta fall av safir, passar de inte riktigt ihop. Det uppstår rent mekaniska spänningar i materialet som ger defekter, berättar Bo Monemar, professor emeritus på Linköpings universitet (till vänster i bilden nedan) som allt sedan början av 1990-talet arbetat tillsammans med Isamu Akasaki och Hiroshi Amano.nobelt ljus

Redan i sin egen doktorsavhandling 1971 nosade Bo Monemar på nitriderna och forskade kring dem i Lund några år, men fick ge upp på grund av brist på pengar. När så de första genombrotten kom i Japan i början av 1990-talet tog han snabbt upp forskningen igen.

Det har resulterat i ett hundratal vetenskapliga artiklar tillsammans med de japanska nobelpristagarna. Bo Monemar har även blivit hedersdoktor vid både Meijo-universitet och Nagoya-universitetet, medan Isamu Akasaki är hedersdoktor vid Linköpings universitet.

Nära samarbete

Medan de japanska forskarna varit inriktade på att tillverka materialet har materialforskarna på Linköpings universitet arbetat med att karakterisera materialet och studera de optiska egenskaperna.

Inte nog med det, Linköpingsforskarna med professor Per-Olof Holtz i spetsen, har också lyckats förbättra materialet. Till en början genom att framställa så kallade kvantbrunnar i vilka elektronerna bara kan röra sig i två dimensioner. På så vis separeras de rumsligt från defekterna. Därefter har de också framställt ett mönster av kvantprickar, som kan ses som virtuella atomer eller noll-dimensionella strukturer. Kvantprickarna kan fånga in de laddningsbärare som finns i materialet och som annars skulle fastnat i defekterna.

De blå lysdioderna blir med andra ord bättre och bättre och har idag en verkningsgrad på runt 90 procent. Men nu är det ju vitt ljus vi vill ha, och helst ett lite varmt gultonat.

I en vit lampa placeras därför ett antal blåvioletta lysdioder i mitten. Ett ingjutet skikt av fosforpulver ovanpå dioderna förvandlar sedan ljuset till vitt. Lampan får då en total verkningsgrad på ungefär 50 procent, att jämföras med lysrör som har 25 procent och en glödlampa som har cirka fem procents verkningsgrad.

– Det är fortfarande första generationen lysdiodlampor vi ser på marknaden. Det bedrivs forskning på många håll för att få fram substrat av galliumnitrid. Då skulle en stor del av defekterna förvinna. Men de är fortfarande så dyra att industrin inte vill använda dem, säger Bo Monemar.

Tillverkningen av substrat behöver alltså komma upp i volym för den andra generationens lampor. Men 10-15 år framåt i tiden ser Bo Monemar en nästa generation med avsevärt bättre verkningsgrad.

– I den ultimata generationen lysdiodlampor kan vi blanda blått, grönt och rött ljus för att få en bättre färgton och effektivare lampa. Men i dag är de gröna för dåliga och ännu vet vi inte varför, säger han.

Och det är, som man säger, en annan historia.

Text: Monica Westman Svenselius
 2015-01-16

 

Sex hedersdoktorer har fått Nobelpriset

En av årets nobelpristagare i fysik, japanen Isamu Akasaki, är hedersdoktor vid Linköpings universitet. Men det är flera som fått Nobelpriset av universitetets hedersdoktorer.

Redan 1977 blev engelsmannen Nevill F. Mott nobelpristagare i fysik, två år efter att han utsetts till teknologie hedersdoktor vid Linköpings universitet. Han fick priset för grundläggande teoretiska insatser rörande elektronstrukturen i magnetiska och oordnade system.

1981 gick Nobelpriset i fysiologi eller medicin till den svenska neurofysiologen Thorsten Wiesel, under många år verksam i USA, för upptäckter om hur synintryck behandlas i hjärnan. Hans samarbete med LiU-forskare ledde till att han året efter, 1982, även blev medicine hedersdoktor vid Linköpings universitet.

1998 fick amerikanen Louis J. Ignarro ta emot Nobelpriset i fysiologi eller medicin för upptäckten av ”kroppens eget nitroglycerin” – kvävemonoxid – och dess betydelse för hjärt-kärlsystemet, bland annat hur det får blodkärl att slappna av. Sedan 1980-talet hade farmakologer vid LiU haft kontakt med professor Ignarro och 2002 blev han medicine hedersdoktor vid Linköpings universitet.

2000 gick kemipriset till amerikanen Alan J. Heeger och den nyzeeländsk-amerikanske forskaren Alan G. MacDiarmid – tillsammans med japanen Hideki Shirakawa – för forskning om elektriskt ledande plaster (polymerer) Såväl Heeger som MacDiarmid hade under lång tid samarbetat med olika forskargrupper inom fysik och kemi vid Linköpings universitet. MacDiarmid blev teknologie hedersdoktor 1990 och Heeger 1996.

Senast i raden är alltså japanen Isamu Akasaki, en av årets fysikpristagare, som under många år haft ett nära samarbete med materialforskare vid Linköpings universitet. Sedan 2001 är han teknologie hedersdoktor.


Text: Lennart Falklöf