מאז שחר ימי האנושות בנה האדם את חייו סביב האור. אורח חייו של האדם הקדמון נקבע על פי מחזורי השמש והירח ועל פי מועדי הזריחה והשקיעה שלהם. בחלוף השנים למדו בני האדם "לאלף" את האור הטבעי ולבנות מבנים שמנצלים את אור השמש לשיפור התאורה, וגייסו את האש כדי להאיר את לילותיהם. עם זאת, עד פרוץ המהפכה התעשייתית התאורה הזו הייתה מוגבלת לטווח של כמה מטרים.

המהפך הגדול בתחום התאורה בא עם המצאת החשמל. נורת הלהט האירה את העולם והפכה את אחד מממציאיה, תומס אדיסון, לדמות היסטורית מפורסמת. עם זאת, הנורה סבלה מנצילות נמוכה – אחוז נמוך מאוד מהאנרגיה שצרכה נוצלה למטרתה העיקרית – אור, והשאר הפך לחום והתבזבז. אפילו נורות הלהט המודרניות מנצלות רק כחמישה אחוזים מהאנרגיה שהן צורכות לאור.

יותר מחמישית מהאנרגיה שנצרכת כיום בעולם משמשת לתאורה, כך שהיכולת ליצור אור יעיל הפכה לאחת המשימות החשובות של האנושות. לפתרון של הבעיה הזאת אחראים במידה רבה שלושת הזוכים בפרס נובל לפיסיקה לשנת 2014, המדענים היפנים איסאמו אקסאקי, הירושי אמאנו ושוג'י נקמורה, שיקבלו את הפרס על המצאת נורת הלד (LEDLight Emitting Diode) הכחולה.


דיודות צבעוניות. שילוב הצבעים אדום, ירוק וכחול מפיק אור לבן | צילום: מוויקיפדיה

נורת הלד מבוססת על דיודה שמעבר האלקטרונים בה גורם לפליטת אור נראה. מדובר באחד ממקורות האור החסכוניים ביותר – נצילותה גבוהה עד פי עשרה מזו של נורות הלהט הרגילות. דיודה פולטת אור היא בעצם תרכובת של מוליכים למחצה שפולטים אור בצבע יחיד ("קוהרנטי") כשעובר בתוך הרכיב זרם חלש מאוד. צבע האור שנפלט נגזר מסוג המוליכים למחצה שבהם משתמשים ברכיבים האלה.

במשך השנים הושקעו מאמצים רבים ליצור אור לבן ממנורות לד, אך המשימה לא הייתה פשוטה. אור לבן אפשר ליצור משילוב של הצבעים ירוק, אדום וכחול. נורות לד אדומות וירוקות פותחו כבר בשנות ה-60, אך כשניסו לפתח גם מנורות לד הכחולות התגלה שהמשימה הרבה יותר קשה.

דיודת האור הכחול
במשך קרוב לשני עשורים ניסו חוקרים ליצור דיודות שפולטות אור כחול – וכשלו. הקושי היה טמון בחומרים מהם עשויה נורת לד כחולה. נורת הלד בנויה ממוליכים למחצה. אלקטרונים במוליך למחצה מסוים יכולים להיות רק באנרגיות מסוימות האופייניות לאותו חומר. בלשון מדעית ניתן לומר כי יש להם רמות אנרגיה בדידות שבהן הם יכולים להיות.

כשאלקטרונים עוברים מרמת אנרגיה גבוהה לרמה נמוכה יותר הם יכולים לפלוט את הפרש האנרגיה בתור אור, באמצעות חלקיקים נושאי אור שנקראים פוטונים. צבע האור שאנו רואים נקבע על פי האנרגיה שיש לפוטון, כך שפוטונים "כחולים", למשל, הם בעלי אנרגיה גבוהה יותר מפוטונים "אדומים". כלומר כדי ליצור אור כחול עלינו ליצור מערכת שבה המון אלקטרונים באנרגיה גבוהה יפלטו בדיוק את אותה כמות האנרגיה שדרושה ליצירת פוטונים "כחולים". ואם לא די בזה, כדי לספק אור מתמשך נחוצה זרימה מתמדת של אלקטרונים שיפלטו אור.

כדי לגרום לפליטת אור יצרו מהמוליכים למחצה האלה רכיבים שנקראים דיודות. דיודה היא צומת בין שני מוליכים למחצה – אחד עם עודף של אלקטרונים מוליכים והשני עם מחסור של אלקטרונים. כשמפעילים מתח בין שני הקצוות נוצר זרם של אלקטרונים מהחומר שיש בו עודף אלקטרונים אל החומר שבו חסרים אלקטרונים. בעת המעבר האנרגיה של האלקטרונים פוחתת והם פולטים אור. דיודות כאלו הפולטות אור אדום או ירוק היו קיימות שנים רבות אבל היה קושי ליצור דיודות הפולטות אור כחול.

על מנת ליצור אור בצבע כחול היה צריך ליצור תרכובת של מוליכים למחצה עם פער אנרגיה גדול במיוחד. תהליך הייצור של תרכובות עם עודף או מחסור באלקטרונים, תוך שמירת הפער האנרגטי הגדול ביניהם, היה קשה מאוד מבחינה טכנולוגית. הראשון שהצליח להשיג פריצת דרך משמעותית בנושא היה פרופ' איסאמו אקסאקי (85) מאוניברסיטת נאגויה ביפן, שמצא בשנת 1990 דרך ליצור דיודה שפולטת אור כחול בטמפרטורת החדר. לשם כך הוא השתמש בתרכובת של מוליכים למחצה בשם גליום-ניטריד, שפער האנרגיה בה גדול מספיק כדי לפלוט אור כחול.

הקושי הגדול היה לייצר גליום-ניטריד טהור שלא יידבקו אליו מזהמים (אטומים מהסביבה כמו חנקן או חמצן). מזהמים כאלה יוצרים רמות אנרגיה נוספות שבהן האלקטרונים בחומר יכולים להימצא ולכן מצמצמים את הפער האנרגטי הנדרש כדי ליצור אור כחול. אקסאקי וקבוצתו היו הראשונים שהצליחו לייצר את תרכובת החומרים בצורה נקייה יחסית ממזהמים. לתגלית הזו הצטרפו מחקריו של פרופ' הירושי אמאנו (54) מאותה אוניברסיטה, שתרם גם הוא רבות להבנת התהליכים הקורים במנורות לד ולייצורן.

הפיתוח שזיכה את המדען היפני שוג'י נקמורה (60) מאוניברסיטת קליפורניה בארה"ב בפרס נובל, הוא תרומתו לייצור הסדרתי שלה. השיטה המקורית שפיתח אקסאקי לא התאימה לייצור מסחרי כיוון שתהליך הייצור של רכיבי הדיודה היו מורכבים ולא תמיד עלו יפה. יתר על כן, לא פעם גם לא היה ברור מדוע התהליך נכשל. נקמורה הצליח להסביר את האפקטים שקורים בנורות הלד הכחולות ופיתח תהליך חלופי שאפשר ייצור סדרתי שלהן.

בשנים האחרונות יותר ויותר מכשירים חשמליים עוברים להשתמש בטכנולוגיות הלד ליצירת תאורה חזקה ויעילה – טלוויזיות, מסכי מחשב, טלפונים סלולריים, נורות חשמליות ועוד. נראה שהשימוש בטכנולוגיה הזו ילך ויגבר ושנורות הלד הן אלה שיאירו את עתידנו.

אנה גריבנין
דוקטורנטית, המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.