Cosa causa unGUIDATOdiventare blu?
L'illuminazione, i display e i dispositivi elettronici moderni sono stati completamente trasformati dai diodi a emissione luminosa (LED), che garantiscono efficienza energetica, durata di vita estesa e versatilità che le tradizionali lampadine a incandescenza o fluorescenti non possono eguagliare. La luce blu è diventata uno dei colori più comuni prodotti dai LED e alimenta qualsiasi cosa, dai fari a LED agli schermi degli smartphone fino alle apparecchiature mediche. Ma cosa attiva nello specifico la luce blu emessa da un LED? I materiali utilizzati nella loro produzione, le decisioni tecniche deliberate e la fisica di base del funzionamento dei LED sono tutti la chiave della soluzione. Per comprendere questo fenomeno, dobbiamo prima analizzare il processo di generazione della luce-dei LED e poi esaminare i particolari elementi che fanno sì che la loro emissione si inclini verso la porzione blu dello spettro elettromagnetico.
Fondamentalmente, i LED sono dispositivi a semiconduttore che utilizzano un processo noto come elettroluminescenza per generare luce. I LED producono luce quando elettroni e "lacune" (portatori di carica positiva) si ricombinano all'interno di un materiale semiconduttore, a differenza delle lampadine a incandescenza, che producono luce riscaldando un filamento-un processo dispendioso che perde la maggior parte dell'energia sotto forma di calore. Ecco come funziona: gli elettroni del semiconduttore di "tipo n-" caricato negativamente attraversano una giunzione nel semiconduttore di "tipo p- caricato positivamente quando una corrente elettrica viene fornita al LED. Questi elettroni rilasciano energia sotto forma di fotoni, o particelle di luce, mentre colpiscono e riempiono i buchi nel materiale di tipo p-. L'energia del gap di banda del semiconduttore determina la tonalità di questa luce; maggiore è la banda proibita (la differenza di energia tra la banda di valenza del semiconduttore, che contiene lacune, e la banda di conduzione, che contiene elettroni), minore è la lunghezza d'onda della luce che viene rilasciata. I LED che creano luce blu necessitano di semiconduttori con un intervallo di banda relativamente ampio perché la luce blu ha una lunghezza d'onda corta (450–495 nanometri). Il fattore principale e più importante che influenza l'emissione di luce blu è questa caratteristica del materiale.
La creazione di semiconduttori basati sul nitruro di gallio (GaN) e leghe correlate, compreso il nitruro di indio e gallio (InGaN), ha rappresentato il principale progresso nella tecnologia LED blu, a cui è stato riconosciuto il Premio Nobel per la fisica 2014. Poiché i tipici materiali semiconduttori (come l'arseniuro di gallio, utilizzato per i LED rossi e verdi) hanno un intervallo di banda troppo piccolo per produrre luce blu a lunghezza d'onda corta-, gli scienziati hanno avuto difficoltà a sviluppare sistemi efficaciLED bluprima degli anni '90. D'altra parte, il GaN ha un ampio intervallo di banda di circa 3,4 elettronvolt (eV), che è esattamente l'energia richiesta per emettere luce ultravioletta (UV). Gli ingegneri possono ridurre il gap di banda incorporando piccole quantità di indio nel GaN per creare InGaN. Ciò sposta la luce in uscita dall'ultravioletto al blu riducendo l'energia del gap di banda. Ad esempio, la luce con una lunghezza d'onda di circa 450 nm viene emessa da un semiconduttore InGaN con un intervallo di banda di circa 2,7 eV, che lo rende ideale per un'illuminazione blu brillante. Poiché l'InGaN può essere legato per regolare il gap di banda, è diventato il materiale standard per i LED blu. I LED blu (e i LED bianchi che dipendono da essi) non sarebbero possibili senza i semiconduttori basati su GaN-.
La struttura a pozzo quantico del LED è un altro componente cruciale che consente la produzione di luce blu. Un sottile strato di semiconduttore (solitamente InGaN) posizionato tra due strati più spessi di un altro semiconduttore (solitamente GaN stesso) è chiamato pozzo quantico. Gli elettroni e le lacune all'interno dello strato InGaN sono limitati, o "intrappolati", in un modo che cambia i loro livelli di energia perché lo strato è così sottile-tipicamente spesso solo pochi nanometri. L’efficienza del LED aumenta grazie a questo confinamento, che aumenta la probabilità che elettroni e lacune si ricombinino e producano fotoni. Lo spessore e la composizione del pozzo quantico sono attentamente regolati per i LED blu; un pozzo più stretto o una concentrazione di indio maggiore possono-sintonizzare con precisione la lunghezza d'onda di emissione sull'intervallo del blu richiesto. Ad esempio, la luce può spostarsi a 470 nm da un pozzo quantico InGaN di 3-nanometri-di spessore con il 20% di contenuto di indio e a 460 nm da un pozzo quantico di 5-nanometri con il 15% di indio. I LED blu sono sufficientemente luminosi per applicazioni pratiche, come proiettori LED ad alta potenza e indicatori luminosi sui dispositivi elettronici, grazie alla capacità dei pozzi quantistici di ridurre la ricombinazione non radiativa, che è la perdita di energia sotto forma di calore anziché di luce.
La luce blu può anche essere un risultato inaspettato dei LED, in particolare dei LED bianchi, anche se molti LED sono realizzati appositamente per crearla. La maggior parte dei LED bianchi utilizza una tecnica di "conversione del fosforo", in cui un chip LED blu è rivestito con un materiale di fosforo giallo (tipicamente granato di ittrio e alluminio drogato con cerio-o YAG:Ce), poiché la luce bianca non può essere prodotta direttamente da un singolo semiconduttore (poiché richiede un mix di lunghezze d'onda attraverso lo spettro visibile). Una parte della luce blu proveniente dal LED viene assorbita e riemessa come luce gialla quando colpisce il fosforo. Alla vista umana, la restante luce blu appare come luce bianca perché si fonde con la luce gialla. Non tutta la luce blu, però, viene trasformata se il rivestimento di fosforo è irregolare, eccessivamente sottile o di bassa qualità. Ciò può produrre un bagliore "bianco freddo" o "blu-colorato", tipico dei prodotti poco costosiLampadine a LEDoppure vecchi infissi al fosforo che si sono deteriorati nel tempo. Poiché la luce blu influisce sulla generazione di melatonina, un’eccessiva luce blu proveniente dai LED bianchi può occasionalmente indurre affaticamento degli occhi o interferire con i ritmi circadiani. Ciò sottolinea l'importanza di una progettazione appropriata dei fosfori. Questa luce blu inaspettata è causata da una scarsa integrazione del fosforo piuttosto che da un difetto nella funzionalità fondamentale del LED.
Sebbene non "causino" la creazione di luce blu da parte del LED, le condizioni ambientali possono anche influenzare l'intensità o il modo in cui un LED sembra emettere luce blu. Il gap di banda del semiconduttore può ampliarsi in modo significativo quando i LED si surriscaldano (un problema comune nelle applicazioni ad alta-potenza), spostando la lunghezza d'onda di emissione verso l'estremità rossa dello spettro. Questo è un esempio di come la temperatura influisce sulle prestazioni dei LED. Ciò potrebbe comportare un piccolo cambiamento nella lunghezza d'onda perLED bluda 450 nm a 455 nm, appena percettibile ad occhio nudo ma quantificabile con gli strumenti. D'altro canto, alcuni LED ad alte-prestazioni (come quelli presenti nei proiettori) sono dotati di sistemi di raffreddamento poiché farli funzionare a temperature più basse può migliorare la loro efficienza e l'emissione di luce blu. La densità di corrente è un'altra considerazione. Mentre la luminosità di un LED blu può essere aumentata aumentando la sua corrente elettrica, una corrente eccessiva può provocare un "calo dell'efficienza" o una diminuzione dell'emissione luminosa per unità di corrente. Una corrente eccessiva in situazioni estreme può danneggiare la struttura del pozzo quantico, provocando un guasto totale o uno spostamento di colore permanente che include una maggiore emissione di luce blu. Sebbene queste condizioni esterne possano alterare le prestazioni di un LED nel tempo, non alterano la capacità intrinseca del LED di creare luce blu.
In conclusione, le tre cause principali dell'emissione di luce blu da parte dei LED sono l'energia gap di banda del materiale semiconduttore, l'applicazione di leghe a base di GaN- (come InGaN) che consentono luce a lunghezza d'onda corta- e la struttura del pozzo quantico che migliora l'efficienza e regola la lunghezza d'onda di emissione. Mentre la luce blu indesiderata (come in alcuni LED bianchi) deriva da problemi legati al fosforo-, i LED blu progettati intenzionalmente utilizzano principi simili per fornire una luce blu brillante ed efficiente per applicazioni particolari. Sebbene possano avere un impatto sulle prestazioni, le condizioni ambientali come la temperatura e la corrente non modificano il meccanismo fondamentale dell’emissione della luce blu. Conoscere queste ragioni non solo chiarisce l'esistenza diLED bluma attira anche l’attenzione sui progressi ingegneristici che li hanno resi possibili, progressi che continuano a far avanzare l’illuminazione, i display e l’energia rinnovabile. I ricercatori stanno esaminando nuovi materiali (come il nitruro di gallio e alluminio per una luce blu più profonda o UV) e progetti per aumentare l’efficienza diLED blucon l’avanzare della tecnologia LED. Ciò potrebbe portare a nuove applicazioni nella terapia medica, nella purificazione dell'acqua e nei display di prossima-generazione.
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