Ana sayfa 129. sayı Nobel Fizik Ödülünü alan çalışma… 21. yüzyılı aydınlatan teknoloji: LED ışık

Nobel Fizik Ödülünü alan çalışma… 21. yüzyılı aydınlatan teknoloji: LED ışık

219
PAYLAŞ

Hakan Sert

Yarı iletkenlerden üretilen parlak mavi ışık atımları, aydınlatma teknolojisinde temel bir dönüşümün öncüsü oldu. 20. yüzyılı aydınlatan akkor lambaların yerine, artık daha güçlü ve daha tasarruflu alternatif aydınlatma aracına, LED ışığa sahibiz.

Bilindiği gibi, Nobel Ödülleri, Alfred Nobel’in vasiyeti üzerine “insanlığa büyük katkı” sağladığı düşünülen bilimcilere İsveç Kraliyet Bilim Akademisi tarafından 1901 yılından bu yana verilmektedir.  Modern fiziğe büyük katkıları olan birçok ünlü fizikçinin de sahip olduğu ödül, bu sene yarı iletken ve aydınlatma teknolojisinde çığır açmış üç bilimciye verildi.

2014 Nobel Fizik Ödülü, “Parlak ve enerji tasarruflu beyaz ışık kaynaklarına imkân tanıyan, yüksek verimli mavi ışık yayan diyotların icatları”ndan dolayı, Isamu Akasaki (Nagoya Üniversitesi), Hiroshi Amano (Nagoya Üniversitesi) ve Shuji Nakamura (Kaliforniya Üniversitesi) arasında paylaştırıldı.

Nobel getiren bu icattan söz açmadan önce, yarı iletken diyotlardan kısaca bahsetmek konunun anlaşılabilirliği açısından son derece faydalı olacaktır.

Nobel Fizik Ödülü’nü alan bilimciler

Isamu Akasaki

30 Ocak 1929’da Chiran, Japonya’da doğdu. 1952’de Kyoto Üniv. Bilim Okulu’ndan mezun oldu. 1959’da Nagoya Üniversitesi’nde asistan olarak çalışmaya başlayan Akasaki, 1964’te aynı üniversitede Mühendislik Okulu’ndan doktora derecesini aldı. 1970’lerin başında mavi LED geliştirme çalışmalarına başladı ve 1981’de profesör oldu. 1992’de emekli olan Akasaki, şu anda Meijo Üniversitesi’nde profesör, Nagoya Üniversitesi’nde ise ayrıcalıklı (ordinaryus) profesör unvanlarına sahiptir.(1) 2014 Nobel Fizik Ödülü’nün yanı sıra, 2009’da Kyoto Ödülü’nü ve 2011’de IEEE (Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü) Edison Madalyası’nı almıştır.(2),(3)

Hiroshi Amano

11 Eylül 1960’ta Hamamatsu, Japonya’da doğdu. 1982’de lisans öğrencisiyken Isamu Akasaki’nin çalışma grubuna katıldı.(4) 1983’te Nagoya Üniv. Elektronik Mühendisliği Bölümü’nden lisans mezunu oldu. Doktora derecesini de 1989’da aynı bölümden alan Amano, 2002’de Meijo Üniversitesi’nde profesör olarak çalışmaya başladı. 2010’da Nagoya Üniversitesi’ne  profesör olarak  geri döndü ve halen orada çalışmaktadır.(5)

Shuji Nakamura

22 Mayıs 1954’te Ehime, Japonya’da doğdu. Tokushima Üniv. Elektrik Mühendisliği Bölümü’nden 1977’de lisans; 1979’da yüksek lisans derecelerini aldı ve aynı yıl Nichia Kimya’da çalışmaya başladı. 1989 yılında mavi LED geliştirme çalışmalarına başladı. 1994’te doktora derecesini yine Tokushima Üniversitesi’nden alan Nakamura, 1999’da çalıştığı firmayı bırakarak Kaliforniya Üniversitesi’nde profesör olarak  işe başladı. Halen Kaliforniya Üniversitesi’nde profesörlük yapan Nakamura akademik hayatı boyunca birçok ödülün sahibi olmuştur.(6), (7)

Kaynaklar

1) http://en.nagoyau.ac.jp/people/distinguished_award_recipients/nagoya_university_distinguished_professor_isamu_akasaki.html

2) http://www.inamori-f.or.jp/laureates/k25_a_isamu/ctn_e.html

3) http://www.ieee.org/documents/edison_rl.pdf

4)  http://en.wikipedia.org/wiki/Hiroshi_Amano

5) http://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/view/html/100001778_en.html

6) http://ssleec.ucsb.edu/nakamura

7) http://engineering.ucsb.edu/faculty/profile/82

Yarı iletkenler

Katılarda atomlar arası mesafeler oldukça küçüktür. Bu durum, atomlar arası etkileşmeleri önemli hale getirir. Ancak katıdaki atomların birbirleriyle etkileşimlerini incelemek yerine -ki pratikte imkânsızdır- katıyı enerji bantlarından oluşmuş bir yapı olarak ele almak  “iletkenlik” kavramının anlaşılması açısından oldukça kullanışlıdır.

Şekil 1. Bant teorisine göre yalıtkan, yarı iletken ve iletken.(3)

Katıların bant teorisinde ele alınan enerji bantlarından iletkenlik (conduction) bandı, iletkenliği sağlayan serbest elektronların bulunduğu enerji bant aralığıdır. Valans (değerlik) bandı ise, atomların son yörüngelerindeki elektronların bulunduğu enerji bant aralığıdır. Valans bandından iletkenlik bandına geçebilen elektron, serbest hale geçerek katıda iletkenliği sağlar. Ancak iki bant arasında aşılması gereken bir enerji aralığı vardır. Bu aralık “yasak bant” olarak adlandırılır ve yasak bantın genişliği katının iletkenlik karakeristiğini belirler.

Yarı iletken diyotun yapısı.(4)

Şekil 2’de görüldüğü üzere iletkenlerde yasak bant aralığı bulunmazken, yalıtkanlarda bu aralık çok fazladır. Yarı iletkenlerde ise yasak aralık ikisinin arasında bir değerdedir.

Valans bandından iletkenlik bandına geçişin düşük enerjilerle manipüle edilebilmesi, yarı iletkenleri elektronik teknolojisinde vazgeçilemez yapar.  Çokça bahsedildiği üzere, dijital elektronik 1 ve 0’lar üzerine kuruludur. Bunun fiziksel anlamı ise oldukça basittir: Akım geçirmek (1) ve akım geçirmemek (0). Diyot adı verilen tek yönlü akım geçirme özelliğine sahip elektronik ekipmanlar, bu özelliğinden dolayı elektroniğin en önemli malzemesidir. Yarı iletken kullanılarak tek yönlü akım geçirme özelliğine sahip diyotların yapılmasıyla birlikte dijital çağın kapıları aralanmış, bilgisayardan televizyonlara, telefonlardan LED’lere modern elektronik cihazların üretimi olanaklı hale gelmiştir.

Yarı iletkenler son yörüngelerinde 4 elektron bulundurur. Germanyum ve silisyum elementleri gibi 4 değerlik elektronuna sahip saf bir yarı iletkendeki atomlar, diğer komşu atomlarla kovalent bağ yaparak kristal yapı oluşturur ve malzeme yalıtkan özellik gösterir. Yarı iletken diyotların elde edilmesinin yolu ise; bu türdeki saf maddelere çok düşük oranlarda yapılacak yabancı madde katkısının yarı iletken maddeyi özel bir hale getirmesiyle açılmıştır.

Mavi LED’in çalışma prensibi.

Saf germanyum ve silisyum elementlerine çok düşük oranlarda yabancı madde katkısı yapıldığında p-tipi ve n-tipi özel yarı iletkenler elde edilebilir. Son yörüngesinde 5 elektron bulunan bir madde (arsenik, fosfor, …) saf yarı iletkene katkılandığında, 4 elektron maddeyle kovalent bağ oluşturur ve fazladan da 1 elektron madde içinde serbest kalır. Elektron yönünden zengin olan bu tür yarı iletkene “n-tipi yarı iletken” denir. Katkı maddesinin son yörüngesinde 3 elektron olduğunda (galyum, bor,…) ise, katkılanan maddenin elektronlarından biri kovalent bağ yapamaz ve bir elektron boşluğu oluşur. Elektron yönünden yoksul olan bu karışımda elektrona ihtiyaç olan yer “boşluk (hole)” olarak adlandırılır ve pozitif yüklü kabul edilebilir. Boşluk yönünden zengin katkılı yarı iletkenlere de “p-tipi yarı iletken” denir. p-tipi ve n-tipi yarı iletkenler birbirine eklemlendiğinde, eklem bölgesinde n-tipinden gelen elektron ve p-tipinden gelen boşluklar iyonize atomlardan oluşan deplesyon bölgesi oluşturur. Ters kutuplanma durumunda deplesyon bölgesi genişler ve akım oluşmaz. Doğru kutuplanma durumunda ise aktif bölge daralır ve elektronlar aktif bölgeyi geçerek akım oluşturur. Kutuplanma durumuna göre akımın geçip geçmemesi de pn eklemli yarı iletken malzemenin diyot olarak çalıştığını gösterir.

Işık yayan diyot: LED

Yarı iletken diyotlardaki elektron-boşluk çiftlerinin elektriksel gerilim altında birleşerek ışıma yapmasıyla doğan LED teknolojisi, adını “light emitting diode” kelimelerinin başharflerinden alır. LED’in temel çalışma prensibi, elektriksel gerilim altında p-tipi tabakadaki boşlukların n-tipi tabakadaki elektronlarla birleşip ışıma yapmasına dayanır.

Yarı iletkenden ışık yayıldığına dair ilk rapor, 1909 Nobel Fizik Ödüllü, “kablosuz telegrafçılığın gelişimine katkılarından dolayı” K. F. Braun ile birlikte ödül alan Guglielmo Marconi’nin asistanı Henry J. Round tarafından hazırlanmıştır. Daha sonra 1920’li 1930’lu yıllarda da ışık yayınımına dair ileri çalışmalar Sovyetler Birliği’nden Oleg V. Losev tarafından sürdürülmüş, fakat fenomenin arkasında yatan teori yeterince anlaşılamadığından “elektroışıma (electroluminescence)” alanının ortaya çıkması birkaç on yıl gecikmiştir.

Kırmızı ve yeşil LED üretimi 1950’lerin sonlarına rastlar. Dijital saatlerde ve hesap makinelerinde açma-kapama göstergelerinde kullanılan LED, her ne kadar büyük bir icat olsa da aydınlatmada kullanılacak ışığın rengi beyaz olmalıdır. Beyaz LED lambalar ise iki farklı yoldan üretilebilir: Birincisi, mavi ışığı fosfor üzerine gönderip kırmızı ve yeşil renklerde ışıma yapmasını sağlamak. Böylece üç renk bir araya getirilip beyaz ışık oluşturulabilir. Diğer yol işi göze bırakarak kırmızı, yeşil ve mavi LED’leri bir lambaya koymakla sağlanır. İnsan gözü bu üç rengin kombinasyonunu beyaz olarak görür. Her iki durumda da mavi LED’in üretilmesi gerektiği aşikârdır.

Mavi LED’in gerekliliği birçok araştırmacıyı bu çalışmaya yönlendirse de, tüm uğraşlar 2014 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen üç bilimciye dek boşa çıkmıştır.(5)

Aydınlatmaya giden yol: Mavi LED

1986 yılında, Nagoya Üniversitesi’nde çalışan Isamu Akasaki ve öğrencisi Hiroshi Amano, safir alt tabakanın üzerine alüminyum nitrit tabakası yerleştirdikten sonra, üzerini yüksek kalite galyum nitritle kaplayarak, yüksek kalitede galyum nitrit kristali elde etmeyi başarmışlardır. Birkaç yıl sonra da p-tipi tabaka elde etme yolunda büyük atılım yaptılar. Tesadüfen, malzemelerin elektron tarama mikroskobuyla incelendiğinde daha güçlü parladığını gözlemleyerek mikroskoptan gelen elektronik atımların p-tipi tabakayı daha etkili hale getirdiğini anladılar ve 1992 yılında ilk parlak mavi ışık yayan diyotu bilim camiasına sundular.

Tokushima’da bir kimya şirketinde çalışan Shuji Nakamura ise, mavi LED geliştirme çalışmalarına 1988 yılında başladı. İki yıl içinde yüksek kalite galyum nitrit elde etmeyi başaran Nakamura, ince tabaka galyum nitriti düşük sıcaklıkta; alt tabakayı ise yüksek sıcaklıkta kaplayarak zekice bir metodla kristal elde etti.

Nakamura aynı zamanda Akasaki ve Amano’nun p-tipi tabakalarının nasıl başarılı olduğunu da açıklayabiliyordu. Ona göre mikroskoptan gelen elektron atımları p-tipi tabakanın oluşmasına engel olan hidrojeni ortadan kaldırıyor, böylece tabaka oluşturulabiliyordu. Elektron mikroskobunun çözümdeki görevini anlayan Nakamura, elektron atımlarıyla aynı işlevi görecek daha ucuz ve daha basit bir metot ortaya koydu. Malzemeyi ısıtan Nakamura, 1992’de fonksiyonel p-tipi tabaka elde etmeyi başardı. Bu haliyle Nakamura’nın çözümü Akasaki ve Amano’nun çözümlerinden farklıydı.

LED lambanın aydınlatma gücü.(5)

Doksanlı yıllar boyunca iki çalışma grubu da ürettikleri mavi LED’i geliştirdi. Galyum nitritin alüminyum ve indiyum ile çeşitli alaşımları kullanılarak LED teknolojisine gitgide daha kompleks bir yapı kazandırıldı.(5)

İnsanlığa büyük katkı

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura 1990’ların başında yarı iletkenlerinden ürettikleri parlak mavi ışık atımlarıyla, aydınlatma teknolojisinde temel bir dönüşümün öncüleri oldular. 20. yüzyılı aydınlatan akkor lambaların yerine artık daha güçlü ve daha tasarruflu alternatif aydınlatma araçlarına sahibiz. LED ışık, sürekli daha verimli hale getiriliyor. Şu anki rekoru 300 lm/W (birim elekriksel güç başına düşen aydınlık akı) olan beyaz LED’lerin verimliliği, beyaz ampüllerin 16; floresanların da 70 katı.

Dünya’nın elektrik giderinin dörtte birinin aydınlatmaya ayrıldığı düşünüldüğünde, LED’lerin sağlayacağı tasarruf oldukça önemli boyutlardadır. Bunun yanında elektrik şebekelerine erişimi olmayan 1,5 milyar insan, LED’in yerel güneş panellerinden karşılanabilecek düşük enerji gereksinimi sayesinde aydınlanma imkânına sahip olabilecektir. 100 bin saatlik ömürleriyle, ömrü 1000 saat olan akkor lamba ve 10 bin saat olan floresandan çok daha tasarruflu olan LED lambalar, verim ve tasarruf parametreleri göz önüne alındığında şu anda geleceğin aydınlatıcısı olarak görülmektedir.(7)

Nobel Ödülleri’nin insanlığa büyük katkı sağlayan çalışmalara verildiğini tekrar vurgularsak, bu seneki Nobel Fizik Ödülü’nün mavi LED’in mucitlerine verilmesi şaşırtıcı değildir.

Kaynaklar

1) http://www.nobelprize.org/alfred_nobel/

2) http://www.radioaustralia.net.au/international/2014-10-08/led-breakthrough-sees-japaneseborn-researchers-isamu-akasaki-hiroshi-amano-and-shuji-nakamura-awarde/1376523

3) http://ocw.tufts.edu/Content/36/lecturenotes/393138/393210

4) http://en.wikibooks.org/wiki/Semiconductor_Electronics/Diode/Construction_and_Operation

5) “The Nobel Prize in Physics 2014 – Popular Information”,  Nobelprize.org, Nobel Media AB 2014. Web.

6) http://blogs.thatpetplace.com/thatfishblog/wp-content/Blue-LED.jpg

7) “The 2014 Nobel Prize in Physics – Press Release”, Nobelprize.org, Nobel Media AB 2014. Web.

Ekonomi, Barış ve Edebiyat Nobel Ödülleri

2014 Nobel Ekonomi Ödülü, piyasa düzenlemeleri üzerine çalışmalarıyla bilinen Fransız ekonomist Jean Tirole’ün oldu. 61 yaşındaki Tirole’ün şirket birleşmeleri, karteller ve tekeller konusundaki çalışmalarının, devletlere az sayıda şirketin hâkimiyetindeki sektörleri nasıl düzenleyeceği konusunda yol gösterdiği belirtiliyor. 2008 finans krizi sonrası özellikle bankacılık düzenlemeleri tüm dünyada büyük önem kazandı. Dev firmaları uysallaştırmanın yolunu gösterdiği dile getirilen Tirole, bir söyleşisinde, 2008 krizinin piyasa düzenlemelerinin çökmesiyle çıktığını belirterek, “Piyasanın verimliliğine sınırsız güven duyan ekonomistlerin vizyonu 30 yıl geride kaldı” diyordu.

Nobel Barış Ödülü’nün bu yılki sahipleri çocuk hakları eylemcileri, Pakistanlı Malala Yusufzay ve Hintli Kaylaş Satyarti oldu. 17 yaşındaki Malala Yusufzay, Nobel tarihinde ödüle layık görülen en genç isim. Yusufzay, Pakistan’da kız çocuklarının eğitim hakkını savunduğu için Taliban’ın hedefi haline gelmiş, iki yıl önce okula giderken Taliban üyelerince başından vurulmuştu. Saldırıdan sağ kurtulan Yusufzay, davasından vazgeçmedi ve konunun uluslararası kamuoyunda yankı bulmasına katkı sağladı. “Sesimi, seslerini duyuramayanlar için yükseltmeye çalışıyorum” diyen Malala Yusufzay’ın kendi ülkesinde daha önce verdiği mesajlar şöyle: “Sosyalizmin tek çözüm olduğu kanaatindeyim ve tüm yoldaşları bu mücadeleyi muzaffer bir sonuca çıkarmak için teşvik ediyorum. Bizi gericilik ve sömürünün zincirlerinden yalnızca bu kurtaracaktır.”

Nobel Barış Ödülü’ne layık görülen diğer isim olan 60 yaşındaki Satyarti ise Hintli çocuk hakları eylemcisi olarak tanınıyor. Öne çıkan eylemleri arasında 1998’de çocukların işgücü olarak kullanılmasına karşı yürüttüğü kampanya bulunuyor. 1990’lı yıllardan bu yana çocukların işgücünün sömürülmesine karşı mücadele eden Satrarti ve arkadaşları sayesinde bugüne dek yaklaşık 80.000 çocuğun çeşitli şekillerde maruz kaldıkları sömürüden kurtulup rehabilitasyon ve eğitimlerinin sağlandığı biliniyor.

Nobel Edebiyat Ödülü’nün ise, Fransız yazar Patrick Modiano’ya “Kavranması en güç insan yazgılarını anlatma ve Fransa’nın işgal dönemini gözler önüne serme konusunda bellek olgusunu sanat olarak kullanması”nı onurlandırmak amacıyla verildiği açıklandı. İsveç Akademisi daimi sekreteri Peter Englund da Patrick Modiano’yu “çağımızın Marcel Proust’u” olarak niteledi.

Kaynaklar

1) http://ilerihaber.org/baris-odulu-sahibi-malala-bizi-gericilikten-ancak-sosyalizm-kurtarir/3424/

2) http://haber.sol.org.tr/dunyadan/nobel-baris-odulu-malala-yusufzay-ve-kaylas-satyartiye-haberi-98438

3) http://www.milliyet.com.tr/devleri-uysallastirdi-nobel-i/ekonomi/detay/1954103/default.htm

4) http://www.cumhuriyet.com.tr/haber/kitap/132403/2014_Nobel_Edebiyat_Odulu_sahibi_Patrick_Modiano_uzerine….html