Hoje estão em todo o lado. Nos televisores, smartphones, automóveis, semáforos, iluminação pública e nas lâmpadas das nossas casas.
Os LED tornaram-se tão comuns que quase ninguém pensa na história que existe por detrás daquela pequena fonte de luz.
Mas esta é uma história com mais de um século, construída por diferentes cientistas e engenheiros. Começou com uma estranha emissão de luz observada num cristal, passou pelo primeiro LED vermelho, continuou com o verde e o amarelo e encontrou um obstáculo que durante cerca de três décadas parecia quase impossível de ultrapassar: o LED azul.
Curiosamente, foi precisamente essa cor que acabaria por transformar o LED de uma pequena luz indicadora numa das tecnologias de iluminação mais importantes do mundo.
Tudo começou em 1907
A origem do LED remonta a 1907.
O engenheiro britânico Henry Joseph Round trabalhava com detetores de rádio utilizando cristais de carboneto de silício quando observou algo estranho.
Ao aplicar uma tensão elétrica ao material, algumas regiões do cristal emitiam luz.
Round publicou uma pequena nota sobre aquilo que tinha observado. Hoje sabemos que estava perante um fenómeno de eletroluminescência: determinados materiais podem emitir luz quando submetidos a uma corrente ou campo elétrico.
Na altura, porém, a física dos semicondutores estava ainda longe de estar suficientemente desenvolvida para transformar aquela observação num dispositivo útil. Seriam necessárias várias décadas de investigação.
Afinal, o que é um LED?
LED é a abreviatura de Light Emitting Diode, ou díodo emissor de luz.
Uma lâmpada incandescente produz luz aquecendo um filamento a uma temperatura extremamente elevada. Um LED funciona de forma completamente diferente.
É construído utilizando materiais semicondutores. Quando eletrões e lacunas se recombinam na região ativa do dispositivo, parte da energia pode ser libertada sob a forma de fotões. Ou seja: luz.
Mas existe aqui uma característica fundamental para compreender toda esta história: a cor da luz depende da energia dos fotões e, consequentemente, das propriedades do material semicondutor utilizado.
Não basta pegar num LED vermelho e fazer uma pequena alteração para que passe a emitir azul. Para produzir diferentes cores foram necessários diferentes materiais, estruturas e processos de fabrico.
É precisamente por isso que algumas cores apareceram muito antes de outras.
1962: o LED vermelho entra no espectro visível
Um dos maiores saltos aconteceu em 1962.
Nick Holonyak Jr. e S. F. Bevacqua, trabalhando nos laboratórios da General Electric, desenvolveram um dispositivo baseado em arsenieto-fosfeto de gálio (GaAsP).
Emitia luz vermelha.
Este trabalho é geralmente considerado o nascimento do primeiro LED semicondutor prático capaz de emitir luz visível.
Já existiam dispositivos capazes de produzir radiação infravermelha, invisível aos nossos olhos, mas agora o LED podia finalmente ser visto.
Embora aqueles primeiros dispositivos estivessem muito longe de conseguir iluminar uma divisão, já eram extremamente interessantes para utilização como pequenos indicadores eletrónicos.
1968: chega o LED verde
O passo seguinte é importante porque existe frequentemente alguma confusão sobre esta parte da história.
O LED verde não dependeu da invenção do LED azul.
Em 1968, R. A. Logan e colaboradores produziram um LED verde utilizando fosfeto de gálio dopado com azoto, conhecido como GaP:N.
No final da década de 1960 já existiam fabricantes a produzir LED vermelhos e verdes baseados em GaP.
Portanto, muito antes de existir um LED azul eficiente, já conseguíamos produzir luz verde diretamente através de semicondutores.
E depois apareceu o amarelo
Outra figura importante na evolução dos LED foi M. George Craford, antigo aluno de Nick Holonyak.
Em 1972, Craford desenvolveu o primeiro LED amarelo e conseguiu também melhorar significativamente a luminosidade dos LED vermelhos e vermelho-alaranjados.
A família das cores disponíveis começava a crescer: vermelho, verde, amarelo e diferentes tonalidades entre elas.
Os LED começaram a aparecer cada vez mais em equipamentos eletrónicos, calculadoras, instrumentos e painéis de controlo.
Mas continuava a faltar uma região extremamente importante do espectro visível.
Faltava o azul
Era aqui que começava o verdadeiro problema.
Produzir luz azul através de um semicondutor revelou-se muito mais difícil do que produzir vermelho ou verde.
A luz azul possui um comprimento de onda menor e fotões com energia superior aos da luz vermelha. Era necessário encontrar semicondutores com uma diferença energética — o chamado bandgap — suficientemente elevada para produzir esses fotões.
Vários materiais foram investigados, entre eles o carboneto de silício (SiC), o seleneto de zinco (ZnSe) e o nitreto de gálio (GaN).
Mas já existiam LED azuis?
Sim. E esta distinção histórica é importante.
Existiram LED azuis antes dos anos 1990. Dispositivos baseados em carboneto de silício conseguiam emitir luz azul, mas eram extremamente pouco eficientes.
O grande desafio científico não era simplesmente conseguir ver um pequeno ponto azul. Era construir um LED azul eficiente, brilhante, durável e que pudesse ser produzido industrialmente.
E isso revelou-se extraordinariamente difícil.
O pesadelo chamado nitreto de gálio
O nitreto de gálio (GaN) parecia possuir as propriedades necessárias para resolver o problema.
Em teoria era excelente. Na prática era extremamente difícil de trabalhar.
Um dos principais obstáculos consistia em produzir cristais de GaN com qualidade suficientemente elevada.
Havia ainda outro enorme problema. Um LED necessita de regiões semicondutoras com diferentes características elétricas, normalmente designadas tipo n e tipo p.
Produzir GaN tipo n era possível. Produzir GaN tipo p de boa qualidade revelou-se muito mais complicado.
Durante anos, universidades e empresas investiram grandes recursos na tentativa de produzir LED azuis eficientes. Muitos investigadores tentaram. Muitos falharam. E vários acabaram por abandonar o GaN e procurar outros materiais.
Mas nem todos desistiram.
Isamu Akasaki e Hiroshi Amano
No Japão, Isamu Akasaki continuou convencido de que o nitreto de gálio era o caminho certo.
Na Universidade de Nagoya trabalhou com Hiroshi Amano, então seu estudante.
Em 1986 conseguiram um avanço fundamental. Utilizando uma fina camada intermédia de nitreto de alumínio sobre um substrato de safira, conseguiram fazer crescer GaN com uma qualidade muito superior.
Parece apenas uma alteração técnica, mas era uma peça essencial do puzzle. Sem GaN de boa qualidade não existiria um LED azul eficiente.
Em 1989, Akasaki e Amano demonstraram condução tipo p em GaN dopado com magnésio após tratamento por feixe de eletrões e avançaram para junções p-n emissoras na região azul/ultravioleta.
Uma das barreiras que durante anos parecera quase impossível começava finalmente a cair.
Shuji Nakamura entra na corrida
Shuji Nakamura trabalhava na Nichia Chemical Industries, uma empresa japonesa relativamente pequena quando comparada com os gigantes internacionais da eletrónica.
Nakamura propôs à empresa desenvolver um LED azul brilhante.
Escolheu também o nitreto de gálio e iniciou uma longa sequência de experiências, modificações de equipamento e fracassos.
Akasaki e Amano tinham utilizado uma camada intermédia de nitreto de alumínio. Nakamura desenvolveu outra abordagem para melhorar o crescimento do GaN.
Mas ainda faltava resolver um problema fundamental: obter GaN tipo p de uma forma adequada à produção industrial.
Um detalhe que mudou tudo
Akasaki e Amano tinham demonstrado que era possível obter GaN tipo p recorrendo a um tratamento com feixe de eletrões.
Nakamura descobriu posteriormente que um tratamento térmico, conhecido como annealing, podia ativar o material tipo p.
Era uma solução particularmente importante para a produção industrial.
No início da década de 1990, Nakamura conseguiu produzir dispositivos GaN capazes de emitir luz azul-violeta. Mas ainda faltava aumentar drasticamente a luminosidade e obter um azul realmente eficiente.
O último obstáculo: InGaN
A solução passava por estruturas semicondutoras mais sofisticadas e por outro material fundamental: nitreto de índio-gálio (InGaN).
Fabricar InGaN de elevada qualidade também era extremamente difícil. Nakamura continuou a aperfeiçoar as técnicas de crescimento até conseguir ultrapassar esses obstáculos.
No início da década de 1990, os trabalhos de Akasaki, Amano e Nakamura tinham transformado aquilo que durante cerca de três décadas parecera um problema quase insolúvel.
O LED azul eficiente e de elevado brilho era finalmente uma realidade.
Porque é que o azul mudou tudo?
O LED azul não foi necessário para inventar o LED verde. O verde já existia há décadas.
O azul foi fundamental por outras razões.
Uma delas é o sistema RGB. Vermelho, verde e azul constituem as três componentes fundamentais utilizadas na síntese aditiva da cor. Controlando a intensidade das três é possível reproduzir uma enorme gama de cores.
Mas existia uma consequência ainda mais importante.
O LED azul abriu a porta à iluminação LED branca eficiente.
Uma das técnicas mais importantes utiliza um LED azul associado a um material fotoluminescente, normalmente designado fósforo. Parte da radiação azul é convertida para comprimentos de onda maiores e a combinação resultante é percebida pelos nossos olhos como luz branca.
O pequeno LED deixava assim de estar limitado ao papel de indicador luminoso.
Podia transformar-se numa verdadeira fonte de iluminação.
Nasce a luz LED branca
Durante a década de 1990 começaram a surgir LED brancos comerciais baseados nesta tecnologia.
E iniciou-se uma transformação gigantesca.
Os LED tornaram-se progressivamente mais eficientes, luminosos e baratos. Começaram a entrar nos semáforos, iluminação automóvel, ecrãs, smartphones, iluminação pública, fábricas, escritórios e finalmente nas nossas casas.
O que durante décadas tinha sido apenas uma pequena luz colorida num equipamento eletrónico começava a substituir tecnologias de iluminação com mais de um século.
2014: três homens recebem o Nobel pelo azul
A importância desta descoberta foi reconhecida em 2014.
O Prémio Nobel da Física foi atribuído conjuntamente a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura.
A Academia Real Sueca das Ciências distinguiu-os pela invenção dos LED azuis eficientes que permitiram criar fontes de luz branca brilhantes e energeticamente eficientes.
A atribuição conjunta é importante para compreender corretamente a história. Não devemos simplesmente dizer que "Nakamura inventou o LED azul".
Akasaki e Amano realizaram avanços fundamentais na produção de GaN de elevada qualidade e na obtenção de GaN tipo p. Nakamura desenvolveu independentemente técnicas decisivas que conduziram a dispositivos azuis extremamente brilhantes e adequados à industrialização.
Então quem inventou o LED?
Não existe uma resposta de apenas um nome se estivermos a falar de toda a tecnologia LED.
Henry Joseph Round observou eletroluminescência em carboneto de silício em 1907.
Nick Holonyak Jr. e S. F. Bevacqua desenvolveram em 1962 o primeiro LED semicondutor prático de luz visível, de cor vermelha.
R. A. Logan e colaboradores produziram em 1968 um LED verde baseado em GaP dopado com azoto.
M. George Craford desenvolveu em 1972 o primeiro LED amarelo e contribuiu para LED vermelhos muito mais luminosos.
E décadas depois, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura resolveram os problemas fundamentais que permitiram criar LED azuis eficientes e de elevado brilho.
A história do LED não pertence, portanto, a um único inventor. É uma sequência de descobertas realizadas durante várias gerações.
A cor mais difícil acabou por mudar tudo
Em 1962 tínhamos vermelho.
Em 1968 já tínhamos verde.
Poucos anos depois tínhamos amarelo.
Até era possível produzir alguma emissão azul recorrendo a materiais como o carboneto de silício.
Mas produzir azul com elevada eficiência e luminosidade continuava a escapar aos investigadores.
Durante aproximadamente três décadas, universidades e empresas tentaram resolver o problema.
Quando finalmente conseguiram, no início dos anos 1990, não tinham simplesmente acrescentado mais uma cor à família dos LED.
Tinham encontrado a peça que faltava para completar sistemas RGB e, sobretudo, aberto definitivamente o caminho para fontes LED de luz branca altamente eficientes.
Mais de cem anos depois da primeira observação de eletroluminescência, aquela pequena luz tornou-se numa das tecnologias mais importantes do nosso quotidiano.
E ironicamente, a cor que mais demorou a chegar foi precisamente aquela que ajudou a mudar a forma como iluminamos o mundo.
Fontes e referências
The Nobel Prize — Nobel Prize in Physics 2014
Nobel Prize in Physics 2014
The Nobel Prize — Scientific Background
Efficient blue light-emitting diodes leading to bright and energy-saving white light sources
Isamu Akasaki — Nobel Lecture
Fascinated Journeys into Blue Light
Shuji Nakamura — Nobel Prize, Biographical
Shuji Nakamura — Biographical
The Nobel Prize — Popular Information
Blue LEDs – Filling the world with new light
No comments:
Post a Comment