รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2014

By: terminus
Writer
on Tue, 07/10/2014 - 16:46

วันนี้ (วันที่ 7 ตุลาคม 2014) เป็นวันที่สองของการประกาศผลรางวัลโนเบลประจำปี 2014 คณะกรรมการรางวัลโนเบลได้ประชุมกัน ณ ราชสมาคมวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน กรุงสตอกโฮล์ม และมีมติมอบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ให้แก่นักวิทยาศาสตร์ 3 ท่าน คือ Isamu Akasaki, Hiroshi Amano และ Shuji Nakamura ในผลงานประดิษฐ์ไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน (ฺBlue LED) อันเป็นนวัตกรรมที่ปูทางให้โลกได้เห็นแหล่งกำเนิดแสงที่ประหยัดพลังงานและอุปกรณ์แสดงผลอิเล็กทรอนิกส์มากมายในปัจจุบัน

เทคโนโลยีการประดิษฐ์ไดโอดเปล่งแสงนั้นมีประวัติเริ่มต้นนานเกือบศตวรรษนับตั้งแต่การค้นพบปรากฏการณ์ Electroluminescence เป็นครั้งแรกในปี 1907 และการประดิษฐ์ไดโอดเปล่งแสงในห้องปฏิบัติการในปี 1927 ไดโอดเปล่งแสงสีแดงและสีเขียวได้ถูกประดิษฐ์ออกมาและใช้แพร่หลายตั้งแต่เมื่อ 50 กว่าปีที่แล้ว เหลือก็เพียงแสงสีฟ้าเป็นแสงสีที่สามในแม่สีทางแสง 3 สี (สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน) แม้ก่อนหน้านั้นจะมีคนทำไดโอดที่เปล่งแสงในย่านความยาวคลื่นสีน้ำเงินออกมาได้ แต่แสงก็อ่อนเกินกว่าจะใช้งานได้จริง

หลักการทำงานของไดโอดเปล่งแสงอาศัยการคายพลังงานของอิเล็กตรอนที่เลื่อนจากระดับพลังงานสูงมาสู่ระดับพลังงานต่ำ หัวใจของหลอดไดโอดเปล่งแสงที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้คือแผ่นของสารกึ่งตัวนำ n-type และ p-type ที่ประกบกันเป็นแซนด์วิชโดยมีชั้น active layer กั้นไว้ตรงกลาง แผ่น n-ype เป็นสารกึ่งตัวนำที่ถูกโด๊ป (=การใส่สารเจือปนลงไปให้สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าดีขึ้น) ให้มีอิเล็กตรอนเยอะๆ ส่วนแผ่น p-type เป็นสารกึ่งตัวนำที่ถูกโด๊ปให้มีหลุมอิเล็กตรอน (หมายถึงตำแหน่งว่างในพันธะอะตอมหรือโครงผลึกที่อิเล็กตรอนสามารถลงมาอยู่ได้) เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไป อิเล็กตรอนในแผ่น n-type ก็จะวิ่งผ่านรอยต่อระหว่างชั้นไปลงหลุมในแผ่น p-type พร้อมทั้งปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนหรืออนุภาคแสง ความยาวคลื่นแสงที่เปล่งออกมาก็จะขึ้นอยู่กับความห่างระหว่างระดับพลังงาน (band gap) ของอิเล็กตรอนใน n-type และหลุมใน p-type ถ้าแตกต่างห่างกันไม่มาก โฟตอนก็จะมีพลังงานไม่สูง ความยาวคลื่นก็จะยาว (ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่หลอดไดโอดเปล่งแสงที่ประดิษฐ์ได้ในยุคแรกๆ คือไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและแสงสีแดง)


ภาพจาก Wikipedia.org

ไดโอดแสงสีน้ำเงินเป็นอุปสรรคที่นักวิทยาศาสตร์ติดขัดมาตลอดหลายทศวรรษ ในปี 1971 ห้องปฏิบัติการ RCA (Radio Corporation of America) ได้ใช้แกลเลียมไนไทรด์ (GaN) มาทำไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงินสำเร็จเป็นครั้งแรก แต่ความเข้มของแสงที่เปล่งออกมาก็น้อยจนใช้ทำอะไรไม่ได้ (เอามาแต่งร้านรัชดา RCA ยังไม่ไหวเลย) ความพยายามต่อมาก็ไม่ประสบผลสำเร็จในการเพิ่มความเข้มแสงเนื่องจากติดขัดปัญหาการเลี้ยงผลึก GaN ให้มีขนาดและความบริสุทธิ์ตามต้องการ นักวิทยาศาสตร์ผู้คลั่งไคล้ไดโอดแสงสีน้ำเงินเลยหันไปพัฒนาวัสดุสารกึ่งตัวนำตัวอื่น และในปี 1989 บริษัท Cree Inc. ก็ได้เปิดตัวไดโอดแสงสีน้ำเงินที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) แต่มันก็ยังไม่น่าประทับใจสักเท่าไร เพราะอิเล็กตรอนของซิลิกอนคาร์ไบด์วิ่งลงหลุมผ่าน indirect band gap ซึ่งต้องสูญเสียพลังงานส่วนหนึ่งไปกับการเปลี่ยนโมเมนตัมของอิเล็กตรอน ไดโอดซิลิกอนคาร์ไบด์จึงให้ประสิทธิภาพต่ำ ถัดจากซิลิกอนคาร์ไบด์ นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ก็เริ่มหันไปลุ้นกับซิงค์เซเลไนด์ (ZnSe) แทน

กระทั่งถึงตอนต้นของคริสตทศวรรษถึง 1990 นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น 3 ท่าน ได้แก่ Isamu Akasaki (มหาวิทยาลัยนาโกย่า), Hiroshi Amano (มหาวิทยาลัยนาโกย่า), และ Shuji Nakamura (ขณะนั้นทำงานให้กับบริษัท Nichia Chemicals ปัจจุบันรับตำแหน่งศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย-ซานตาบาร์บารา) ประสบความสำเร็จในการสร้างแสงสีน้ำเงินจากสารกึ่งตัวนำในระดับความเข้มที่ใช้งานได้เป็นครั้งแรก

นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามท่านประสบความสำเร็จด้วยความดื้อรั้นทวนกระแสวงการเนื่องจากพวกเขาเชื่อตรงกันว่า GaN คือวัสดุที่ถูกต้องตั้งแต่แรกแล้ว ในปี 1986 Isamu Akasaki กับ Hiroshi Amano ร่วมมือกันพัฒนาจนพบวิธีเลี้ยงผลึก GaN บนแผ่นแซฟไฟร์ให้ได้คุณภาพตามต้องการ ส่วนทางฝั่ง Shuji Nakamura ก็ค้นพบวิธีเลี้ยงผลึก GaN ในปี 1988 โดยเลี้ยงให้เกิดแผ่น GaN บางๆ ที่อุณหภูมิต่ำก่อนแล้วค่อยโปะหนาขึ้นที่อุณหภูมิสูงๆ

เมื่อผ่านอุปสรรคแรกของการเลี้ยงผลึก GaN ไปได้แล้ว Isamu Akasaki กับ Hiroshi Amano ก็ชนเข้ากับด่านต่อไปทันที ไม่ว่าพวกเขาจะใช้วิธีไหน GaN ก็ไม่สามารถทำเป็นแผ่น p-type ที่มีประสิทธิภาพเพียงพอได้ แต่แล้วด้วยความบังเอิญ พวกเขาค้นพบว่าแผ่น GaN ที่ถูกเอาไปส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถนำมาโด๊ปให้แสดงคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ p-type ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในที่สุดพวกเขาก็ประดิษฐ์หลอดไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงินที่สว่างเพียงพอได้เป็นผลสำเร็จในปี 1992

Shuji Nakamura ที่ติดตามความก้าวหน้าของ Isamu Akasaki กับ Hiroshi Amano มาโดยตลอด ก็เดินหน้าการวิจัยของตัวเองต่อไปจนสามารถอธิบายได้ว่าลำอิเล็กตรอนของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเข้าไปฟันอะตอมไฮโดรเจนออกจากแผ่น GaN ทำให้การโด๊ปสร้างแผ่น p-type ทำได้ง่ายขึ้น และด้วยองค์ความรู้ใหม่นี้ทำให้ในปี 1992 เดียวกันนั้นเอง Shuji Nakamura ก็สร้างแผ่น p-type ของ GaN ได้ด้วยวิธีการที่ง่ายและราคาถูกกว่า นั่นคือการอบด้วยความร้อน (annealing) ซึ่งสามารถกำจัดไฮโดรเจนออกจากผลึก GaN ได้เช่นเดียวกับการยิงด้วยลำอิเล็กตรอน

นับจากนั้นเป็นต้นมา ไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงินก็ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง เช่น การใช้โลหะอลูมิเนียมหรืออินเดียมมาผสมกับ GaN ให้ได้อัลลอย

ในทุกวันนี้ที่โลกกำลังเข้าสู่สมัยของ Internet of Things เทคโนโลยีไดโอดเปล่งแสงได้กลายเป็นแกนหลักของจอแสดงผลที่จ้องหน้าเราอยู่เกือบจะทั้งวันทั้งคืน สิ่งเหล่านี้คงจะเกิดขึ้นไม่ได้หากเราไม่มีไดโอดครบทั้งสามแม่สีแสง

เงินรางวัล 8 ล้านโครนสวีเดนจะแบ่งให้ทั้งสามท่านเท่าๆ กัน

ที่มา - Nobel Prize Press Release
ข้อมูลเพิ่มเติม - Wikipedia, วิดีโอ Blue LEDs and Nobel Prize จาก Sixty Symbols

1 Comment

-Rookies-'s picture

เพิ่งเข้าใจวันนี้เองว่าทำไมจอ LED มันเพิ่งเกิด ทั้ง ๆ ที่เคยเห็นหลอด LED มาตั้งแต่เด็ก ๆ

พยายามคิดย้อนหลังถึงนึกได้ว่า เออ ไม่เคยเห็นหลอด LED สีน้ำเงินจริง ๆ แฮะ