Исследования в области светодиодов проводились еще в начале 20 века: в 1907 году Дж. Раунд в Америке наблюдал электролюминесценцию в карбиде кремния, а позже, независимо от него, в 20-е годы Олег Владимирович Лосев открыл «эффект Лосева». В 1939 году О.В.Лосев написал, что это явление возникает на границе р и n областей. Эта статья опережала работы 1949 г. о р-n переходах и основанных на них транзисторах, за которые В.Шокли, Дж.Бардин и У.Браттейн получили Hобелевскую премию. Следующим важнейшим шагом в истории светодиодов стало открытие Жоресом Ивановичем Алферовым и его школой свойств гетеропереходов (Нобелевская премия 2000 г.). Гетеропереход — контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Полупроводниковые структуры, имеющие несколько гетеропереходов, называются гетероструктурами.
В 90-е годы японские ученые И.Акасаки, Х.Амано, Ш.Накамура добились значимых результатов в области изучения светодиодов на основе нитрида галлия. Физика, связанная с гетеропереходами, была использована в структурах с контактами нитрид галлия — нитриды индия/галлия и галлия/алюминия.
«В этих приборах используются десятки слоев, толщина которых составляет несколько или десятки постоянных кристаллической решетки (постоянная решетки — это шаг размером порядка нанометров, при сдвиге решётки на этот шаг она совпадает сама с собой). Эти высокие технологии — нанотехнологии — обеспечили прорыв в создании сверхъярких светодиодов, они будут основой для светодиодного освещения», — отмечает Юнович.
Крупные капиталовложения в фундаментальные научные исследования светодиодных наноструктур были сделаны в США, в Японии, в Европе. В конце 90-х годов эти вложения начали окупаться — была создана светодиодная промышленность, выпускающая миллионы светодиодов. С началом промышленного производства последовательно встали вопросы совершенствования светодиодных разработок. Исследования коснулись и внутреннего квантового выхода излучения в активном слое, и методов вывода излучения из кристалла. Решались и продолжают решаться задачи увеличения тока через один диод и уменьшения нагрева диодов, чтобы получить от одной светодиодной лампочки возможно больший световой поток. Рекордные значения коэффициента полезного действия — преобразования электрической энергии в световую энергию — достигли в лабораториях 60%!
Еще одна задача, стоящая перед учеными и инженерами, — получить при помощи светодиодов белый свет, воспринимаемый человеческим глазом. Восприятие света человеческим зрением характеризуется световой отдачей, измеряемой в люменах (единицах светового потока) на ватт электрической мощности. Лампы накаливания имеют световую отдачу около 18 лм/Вт. Светодиоды белого свечения в промышленности достигли сейчас значений порядка 80 лм/Вт, т.е. уровня экономичных люминесцентных ламп. В лабораториях получены значения световой отдачи до 150 лм/Вт; когда эти значения будут достигнуты в массовом производстве, белые светодиоды вытеснят обычные лампы.
«Тут возникли проблемы не только чисто физические, но и светотехнические проблемы светового восприятия человеческим зрением. Почти 70 лет отрабатывались люминесцентные лампы для того, чтобы их можно было широко применять. И до сих пор большинство предпочитает дома использовать лампы накаливания, а не люминесцентные. Как будет со светодиодами? Они имеют колоссальные возможности, но для массового их применения необходимы научные исследования и новые технологические разработки».
В целом реальные достижения в области светодиодов опережают прогнозы на 5 — 6 лет, что добавляет уверенности в их успехе. Настоящие светотехнические устройства на основе светодиодов не будут похожи на наши лампы накаливания, — продолжает Юнович. Не обязательно ввинчивать светодиодную лампу в тот же цоколь, что и лампы накаливания, — «должны быть принципиально другие светотехнические устройства: и потолочные осветители, и настольные лампы, и внешние фонари».
По словам профессора МГУ, компании, вложившие несколько лет назад большие средства в научные исследования, сейчас начинают получать прибыли от массового производства светодиодов. Когда общее освещение перейдет на светодиоды, эти прибыли увеличатся в сотни раз, убежден Юнович. По его словам, если вы вкладываете в 2002—2007 годах, то весомый результат следует ожидать в 2011—2012 годах.
В России в 60—70—80-е годы были заложены не только возможности для развития светодиодной промышленности, но и основы нитридной технологии. В 90-е годы исследования и разработки благодаря энтузиастам не прекращались, но шли главным образом совместно с европейскими и американскими лабораториями. Профессор отмечает, что в России сейчас есть и научные коллективы, и промышленные фирмы, которые могут развивать исследования и разработки, необходимые для развития светодиодной промышленности.
«Работы последних 10 лет в России по нитридным соединениям и светодиодам на их основе были обсуждены на 4-х всероссийских совещаниях и 5 российских конференциях. На них, кроме Санкт-Петербурга и Москвы, были представлены Новосибирск, Томск, Нижний Новгород, Казань, Орел. За последние годы академические и университетские организации стали получать не только инвестиции от различных фондов, но и финансовые вливания от правительства и промышленности. Исследования и разработки, посвященные светодиодам, в Физико-Техническом Институте им.А.Ф.Иоффе, в Московском Университете признаны не только у нас, но и на мировом уровне. Сейчас необходима подготовка научных, инженерных и технических кадров для светодиодной промышленности, издание научно-технической и учебной литературы по светодиодам».
Физик подчеркивает, что для развития производства светодиодов и создания светодиодного освещения «недостаточно усилий отдельных фирм, необходима координация усилий и связей между различными институтами и компаниями, необходима государственная поддержка, которая осуществляется в Соединенных Штатах, в Китае, в Японии, Корее, Австралии, на Тайване».
Светодиоды — основа освещения будущего, подводит итог профессор МГУ. Однако, для успешной реализации заложенного в светодиодах потенциала необходимо создание государственной программы научных исследований, технологических разработок, технических разработок светотехнических устройств и продвижения их на рынок.
Уральский нанотехнологический щит Родины
Уральские нанотехнологии — делами, а не словами
Уже сейчас на Среднем Урале активно формируется инфраструктура по разработке и внедрению в производство ряда нанопродуктов. В частности, они разрабатываются консорциумами, объединяющими институты УрО РАН, УГТУ-УПИ и УрГУ, технологические институты — УралНИТИ, СвердНИИХиммаш, крупные предприятия и малый бизнес.
Например, в Институте электрофизики УрО РАН налажено изготовление керамических материалов с применением нанотехнологий. Полученные изделия по многим параметрам превосходят обычную керамику. На Урале идут работы и по молекулярному конструированию. В Институте физики металлов в течение многих лет работают над созданием новых магнитных материалов, обладающих гигантским сопротивлением.
В Институте физики металлов Уральского отделения РАН разработаны основы технологии получения интеллектуальных сталей, обладающих высокой жаропрочностью и радиационной стойкостью, что позволит уральским металлургам занять значительную долю рынка сталей для атомной энергетики.
В Уральском государственном университете разработаны основы технологии получения сред для высокочувствительных сенсоров магнитного поля и датчиков широкого назначения на их основе, которые могут найти применение в микроэлектронике.
Благодаря разработкам среднеуральских ученых, сегодня на ведущих предприятиях области уже освоен выпуск продукции с использованием нанотехнологий. Например, Уральский электрохимический комбинат производит фильтры на основе наноматериалов для очистки газов от сверхмалых частиц. На этом же предприятии производятся катализаторы из палладия и платины для нейтрализации вредных примесей в газах, в том числе для очистки выхлопных газов автомобилей.
Нанотехнологии позволили сделать катализаторы более эффективными и уменьшить расход ценных металлов. Уральский завод гражданской авиации применяет передовую технологию повышения стойкости лопаток газотурбинных двигателей за счет нанесения нанопокрытий на основе нитрида титана. В результате в четыре раза увеличился ресурс лопаток и снизился расход топлива при сохранении мощности авиадвигателей, повышена их надежность.
Высокоэффективные антикоррозионные покрытия на базе нанопорошков, используемые в строительном комплексе, делает ООО «Высокодисперсные металлические порошки». Эти покрытия превосходят по долговечности существующие аналоги в 2–4 раза, при этом пожаробезопасны и устойчивы к воздействию низких и высоких температур, поэтому активно применяются при строительстве Московской кольцевой автодороги, мостов через реки Обь, Иртыш, Кама, Волга и других важных объектов. На ФГУП «НПО автоматики» выпускаются элементы на основе нанотехнологий для современных магнитных сенсоров, применяемых в системах измерения и автоматизации.
Специалисты комбината «Электрохимприбор» внедрили технологию получения наноалмазов, использование которых значительно повышает характеристики электрохимических и химических покрытий. В Институте электрофизики РАН с использованием нанотехнологий создан образец самого маленького рентгеновского аппарата в мире, производство которого можно освоить у нас в области. Благодаря своим размерам аппарат может найти применение в медицине при рентгеноскопии нетранспортабельных больных, в том числе в автомобилях «Скорой помощи», а также в металлургии при обнаружении дефектов прямо на технологической линии.