The post has been translated automatically. Original language: Russian
Why was the blue LED difficult to create?
The blue LED turned out to be the most difficult to create, because it required a material with a very large band gap, most of the known semiconductors simply could not emit blue light. The main reason was that there was no suitable material. For blue, a semiconductor with a much higher radiation energy was needed. Gallium nitride (GaN) turned out to be the best candidate, but it was extremely difficult to grow it without defects. It was also difficult to obtain high-quality crystals. The GaN crystals contained a huge number of defects, which caused the LEDs to either not work at all or to be very dim. The problem with the p-type is that two areas are needed for the LED: the n-type and the p-type. It was relatively easy to obtain the n-type, but it was not possible to make a working p-type of gallium nitride for decades. This was one of the main reasons for the delay. New technologies were needed, and scientists had to develop new methods for growing crystals, alloying, and processing the material. It took decades of research.
Why was it so important?
Without the blue LED, it would be impossible to create bright white LED lamps (they work thanks to a blue LED and a special phosphor), modern LED screens and televisions, smartphone displays, full-color RGB displays, etc.
Who solved the problem?
The key breakthroughs were made by Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura. Their research allowed them to create a bright and efficient blue LED, for which they received the 2014 Nobel Prize in Physics in 2014.
How did they solve this problem?
1. We have learned how to grow high-quality gallium nitride. The main problem was that gallium nitride (GaN) crystals were obtained with many defects. Isamu Akasaki and Hiroshi Amano have discovered that if you first apply a very thin layer of aluminum nitride (AlN) to a sapphire substrate, and only then grow GaN, the crystal becomes much better. It was like building a house: instead of uneven ground, they first make a solid foundation.
2. We learned how to make a p-type. Even with a good crystal, the LED still wasn't working. Scientists doped GaN with magnesium, but it still remained almost non-conductive. Later it turned out that hydrogen atoms "block" magnesium. It turned out that if, after growing, the material is heated (or irradiated with an electron beam), hydrogen leaves the crystal, magnesium begins to work as needed, and a full-fledged p-type appears. This was one of the decisive discoveries.
3. Improved the structure of the LED. Shuji Nakamura has developed a more advanced technology for growing gallium nitride layers and applied structures with quantum wells. In this design, electrons and "holes" are easier to meet, so much more energy is converted into light rather than heat.
Result
It was very difficult to create a blue LED because there was no suitable technology for producing high-quality gallium nitride and a working p-type of this material. It is the solution to these problems that has opened the way to modern energy-saving lamps, bright displays and LED lighting, which we use every day.
Что такое аэрогель?
Аэрогель - это сверхлёгкий твёрдый материал, в котором жидкость внутри геля заменена газом без разрушения его внутренней структуры. В результате получается вещество, состоящее примерно на 90% - 99,8% из воздуха, но при этом сохраняющее форму твёрдого тела. Его часто называют "замороженным дымом" или "твёрдым облаком" из-за полупрозрачного голубоватого вида и чрезвычайно низкой плотности.
Основные свойства аэрогеля:
Очень лёгкий. Некоторые аэрогели настолько лёгкие, что почти не ощущаются в руке. Отличный теплоизолятор. Это один из лучших известных теплоизоляционных материалов. Низкая теплопроводность. Благодаря огромному количеству неподвижного воздуха внутри он плохо передаёт тепло. Пористая структура. Внутри находятся миллиарды наноскопических пор. Хрупкость. Классический кремнезёмный аэрогель легко крошится, хотя современные полимерные и композитные варианты значительно прочнее.
Из чего делают аэрогель?
Самый распространённый вариант - кремнезёмный (силикатный) аэрогель, но существуют также аэрогели на основе: углерода, оксида алюминия, полимеров, графена и других материалов.
Где применяется аэрогель?
Строительство, сверхтонкая теплоизоляция стен, окон и труб.
Космос, теплоизоляция космических аппаратов и ловушки для космической пыли. Например, NASA использовало аэрогель для захвата частиц кометы без их разрушения.
Электроника, защита компонентов от перегрева.
Автомобили, теплоизоляция аккумуляторов электромобилей.
Промышленность, изоляция трубопроводов и оборудования.
Одежда и экипировка, в специальных утепляющих вставках для экстремально холодных условий.
Почему аэрогель так хорошо изолирует?
Представьте губку, но с порами в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Воздух оказывается «заперт» в этих крошечных порах и почти не может перемещаться, поэтому тепло плохо распространяется как через сам материал, так и через воздух внутри него.
Есть ли недостатки?
Да, у аэрогеля есть недостатки, относительно высокая стоимость. Многие виды довольно хрупкие и производство сложнее, чем у обычных теплоизоляционных материалов.
Как его сделали?
Сначала делают обычный гель. Например, смешивают соединения кремния с водой и спиртом. Внутри образуется трёхмерная сетка из очень тонких частиц, а всё пространство между ними заполнено жидкостью. Представьте желе: у него есть каркас, а между ним находится вода. Воду обычно заменяют спиртом или другим растворителем. Это нужно, потому что воду сложнее удалить без повреждения структуры. Самый важный этап это удаляют жидкость сверхкритической сушкой. Если просто дать жидкости испариться, поверхностное натяжение "стянет" тонкий каркас, и гель сожмётся или рассыплется. После удаления жидкости остаётся почти один каркас из наночастиц, а всё остальное пространство занимает воздух. В результате получается материал который до 99,8% состоит из воздуха, невероятно лёгкий и обладает отличными теплоизоляционными свойствами.
Почему это было сложно придумать?
Самая большая проблема заключалась именно в сушке. Пока не придумали сверхкритическую сушку, почти все гели разрушались при высыхании. Эту проблему впервые решил американский учёный Samuel Stephens Kistler в 1931 году. Он показал, что если удалить жидкость через сверхкритическое состояние, можно сохранить пористую структуру. Именно так появился первый аэрогель.
Кто создал аэрогель?
Аэрогель впервые создал Samuel Stephens Kistler в 1931 году. По распространённой истории, Кистлер поспорил со своим коллегой, что сможет заменить жидкость внутри геля газом, не разрушив его структуру. Для этого он разработал метод сверхкритической сушки, который позволил удалить жидкость без повреждения пористого каркаса. Так был получен первый в мире аэрогель.
"Мы - конечные существа посреди бесконечной Вселенной"
Сэмюэл Стивенс Кистлер
Сколько весит аэрогель?
Если измерять в кубических метрах (м³), то плотность аэрогеля обычно составляет 3-200 кг/м³ - для большинства современных аэрогелей. Самые лёгкие экспериментальные аэрогели - всего 0,16 кг/м³.
Для сравнения:
Самый лёгкий аэрогель - 0,16 кг/м³
Обычный аэрогель - 3-200 кг/м³
Воздух - ≈1,2 кг/м³
Пенопласт - 15-50 кг/м³
Древесина - 500-900 кг/м³
Вода - 1000 кг/м³
Сталь - ≈7850 кг/м³
Итог:
аэрогель - один из самых лёгких твёрдых материалов в мире. В зависимости от типа 1 м³ аэрогеля обычно весит от 3 до 200 кг, а самые лёгкие экспериментальные образцы - всего около 0,16 кг (160 г) на 1 м³. Благодаря такой низкой плотности аэрогель широко используют там, где важны минимальный вес и высокая теплоизоляция.
Share
