Nobel Vật lý 2014: Đi tìm nàng công chúa xanh dương

Từ trái sang: GS Isamu Akasaki, GS Hiroshi Amano và GS Shuji Nakamura - Ảnh: nobelprize.org

Tuần trước, con gái nhỏ của tôi cầm chiếc đèn pin chiếu lên tường. Những vòng sáng tròn có thể điều chỉnh to nhỏ làm bé cười thích thú. Dường như thời gian không làm thay đổi sở thích vui đùa với ánh sáng của trẻ con, ngoại trừ một thứ: nguồn sáng của chiếc đèn pin. 

Chiếc đèn pin mà con gái tôi sử dụng không dùng bóng đèn dây tóc như chiếc đèn tôi dùng hồi trước, cháu không cần lo ngại chuyện hết pin hoặc cháy bóng vì nguồn sáng ở đây là đèn LED, tức tổ hợp các điôt phát quang, có độ bền gấp hàng trăm lần đèn dây tóc và điện năng tiêu thụ chỉ bằng một phần nhỏ so với đèn dây tóc.

Như vậy, chỉ trong một thế hệ đã xảy ra một cuộc cách mạng về chiếu sáng. Thế hệ tôi dùng đèn dây tóc hoặc đèn huỳnh quang để chiếu sáng, đến thế hệ của con tôi, ưu thế thuộc về đèn LED.

Vì sao vậy? Vì đèn LED bền hơn, tiết kiệm điện hơn đèn dây tóc, lại không chứa thủy ngân độc hại như đèn huỳnh quang, lại có thể tận dụng những nguồn điện nhỏ như điện mặt trời để chiếu sáng cho những vùng xa, nơi điện lưới vẫn chưa tới.

Bóng đèn LED có kích thước rất nhỏ, có loại nhỏ hơn cả hạt cát, nên có thể phối trộn với nhau để tạo ra muôn vàn màu sắc khác nhau. Khả năng chiếu sáng của chúng có thể được điều khiển tự động hoàn toàn bằng máy tính, vì vậy LED ngày càng chiếm ưu thế trong ngành công nghiệp chiếu sáng.

Ứng dụng của LED là vô cùng lớn, vì thế giới khoa học không ngạc nhiên khi tuần trước giải Nobel vật lý 2014 được trao cho phát minh về đèn LED xanh dương. 

Nhưng tại sao lại là LED xanh dương?

Cuộc truy tầm vàng, đỏ và xanh dương

LED là viết tắt của chữ Light Emitting Diodes, tức là điôt phát quang. Điôt là một cấu trúc gồm hai lớp bán dẫn p, n và lớp chuyển tiếp ở giữa (bán dẫn là chất có khả năng dẫn điện nằm giữa chất cách điện và dẫn điện, vì thế được gọi là bán dẫn).

Bán dẫn loại p (positive) dẫn điện bởi lỗ trống, tức các hạt mang điện dương. Còn bán dẫn loại n (negative) dẫn điện bởi các điện tử, tức hạt mang điện tích âm. Vật liệu bán dẫn nổi tiếng nhất là Si, cơ sở của ngành công nghiệp máy tính.

Ngoài Si, còn nhiều chất bán dẫn khác nữa, có thể là các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ. 

Vậy tại sao điôt lại có khả năng phát quang? Thường chúng ta quen với việc một vật phát ra ánh sáng khi bị đốt nóng như bóng đèn dây tóc, như than trong lò. Ngay cả mặt trời phát ra ánh sáng cũng là nhờ phản ứng nhiệt hạch bên trong. Vậy điôt phát quang do bị đốt nóng hay do một cơ chế nào khác?

Bóng đèn dây tóc phát sáng vì bị dòng điện nung nóng đến nhiệt độ rất cao, khoảng 3.000oC, nên rất tốn điện. Nhưng các điôt phát sáng không phải vì đốt nóng, mà vì sự tái hợp của các cặp điện tử - lỗ trống trong hai lớp bán dẫn p và n khi chúng gặp nhau ở vùng chuyển tiếp dưới tác dụng của một hiệu điện thế.

Khi điện tử và lỗ trống gặp nhau, chúng kết hợp với nhau và giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng. Tùy tính chất của vật liệu bán dẫn mà ánh sáng phát ra này có năng lượng khác nhau, thể hiện ra ngoài bằng các màu sắc khác nhau.

Cơ chế này đã được hiểu rõ ít nhất cũng từ những năm 1960.

Vấn đề còn lại là phải chế tạo bằng được điôt có khả năng tạo ra màu sắc mong muốn, cụ thể là các màu cơ bản: đỏ, vàng, xanh dương. Vì như vậy có thể trộn màu để tạo ra các màu sắc khác, hoặc tạo ra ánh sáng trắng, thứ ánh sáng tự nhiên nhất, quen thuộc nhất đối với mắt người. 

So sánh các nguồn sáng khác nhau

Công chúa ngủ trong rừng

Hiệu ứng phát quang của điôt có lịch sử đã hơn một thế kỷ. Năm 1907,  Henry J.  Round (1881-1966) đã tình cờ phát hiện SiC có khả năng phát quang khi đặt dưới các điện áp khác nhau. Sau đó, Oleg V. Losev (1903-1942) đã tạo ra LED đầu tiên năm 1927.

Nhưng cả Round và Losev đều không hiểu rõ bản chất của hiện tượng này vì đây là các hiệu ứng lượng tử, mà ở khoảng thời gian của Round vật lý lượng tử chưa ra đời, còn ở thời điểm của Losev vật lý lượng tử mới đang ở giai đoạn đầu tiên của việc hình thành.

Phát minh của Round và Losev gần như rơi vào quên lãng suốt mấy chục năm sau đó, một phần vì bản chất vật lý của các hiện tượng này chưa được hiểu rõ, phần khác là tiềm năng ứng dụng của nó chưa được đề cập một cách trực tiếp.

Tuy nhiên đến những năm 1960, do sự phát triển bùng nổ của công nghiệp bán dẫn, kéo theo là công nghiệp điện tử, điện tử, những nghiên cứu về bán dẫn nói chung, trong đó có LED, được quan tâm hơn rất nhiều. Kết quả là năm 1962, Nick Holonyak, khi đó đang làm việc cho phòng thí nghiệm của General Electric, đã phát minh LED đỏ.

Mười năm sau, M. George Craford, cựu sinh viên của Holonyak, đã phát minh LED vàng. Đến năm 1976 thì LED đỏ và vàng đã được hoàn thiện và thương mại hóa. Mục tiêu cuối cùng của giới khoa học là LED xanh dương.

Nếu tìm được LED xanh dương, nguồn sáng trắng có thể được tạo ra và với lợi thế tiết kiệm điện, độ bền cao, có thể được điều khiển tự động bằng máy tính, tương lai của ngành chiếu sáng sẽ thuộc về LED. Với lưu ý khoảng 1/4 điện năng của thế giới được dùng để chiếu sáng, hứa hẹn mà LED mang lại trong việc tiết kiệm điện thật sự khổng lồ. Nhưng LED xanh dương lúc đó vẫn như nàng công chúa ngủ trong rừng, bao người lao tâm khổ tứ kiếm tìm mà không thấy. 

Về lý thuyết, chỉ cần lựa chọn vật liệu bán dẫn phù hợp là có thể tạo ra LED xanh dương. Một trong những vật liệu như vậy là GaN. Nhưng thực tế vô vàn khó khăn gai góc. Đầu tiên là không dễ dàng chút nào để tạo ra các đơn tinh thể GaN đủ tinh khiết.

Cho đến cuối những năm 1980, không ai biết làm sao để có thể nuôi cấy đơn tinh thể GaN đủ tốt, trừ Isamu Akasaki và Hiroshi Amano. Năm 1986, sử dụng kỹ thuật MOVPE, nhóm Isamu Akasaki và Hiroshi Amano đã nuôi cấy thành công màng tinh thể GaN trên đế saphire.

Đây là bước tiến lớn lúc bấy giờ trong chặng đường đi tìm nàng công chúa xanh dương. 

Nụ hôn đánh thức

Nhưng nuôi cấy được màng mỏng GaN chưa hẳn đã xong việc. Vì phần việc khó khăn hơn nữa là pha tạp GaN để tạo ra lớp bán dẫn loại p. Cho đến lúc này, chưa ai biết làm thế nào để thực hiện việc pha tạp này. Nói cách khác, công chúa đã được tìm thấy, giờ làm thế nào đánh thức nàng?

Trong các thực nghiệm về LED, không có nụ hôn đánh thức nào, mà là chuỗi dài những thí nghiệm. Nhưng điểm chung cho cả hai việc đánh thức này là tình yêu, hoặc với người đẹp, hoặc với công việc nghiên cứu.

Nhóm của Akasaki đã tiến hành hàng nghìn thí nghiệm, phần lớn là thất bại. Nhưng ngay cả khi những người khác đã bỏ cuộc hoặc cho rằng đó là ngõ cụt, họ vẫn tiếp tục, thậm chí nhiều lần bắt đầu lại từ đầu.

Một trong những thành quả của sự kiên trì này là việc chế tạo thành công màng mỏng GaN và hơn thế nữa, ông trời đã không phụ lòng kẻ kiên trì, một cách hoàn toàn ngẫu nhiên, trong các thí nghiệm của mình, Akasaki và Amano phát hiện vật liệu của họ tỏa sáng mạnh hơn sau khi được nghiên cứu bằng các kính hiển vi điện tử.

“Nụ hôn đánh thức” đã được gợi mở: dùng chùm điện tử để xử lý màng mỏng GaN, tạo ra lớp bán dẫn loại p như mong đợi.

Cũng khoảng thời gian đó, Nakamura đã tạo ra LED xanh trên nền vật liệu GaN sau một chuỗi cố gắng không ngừng nghỉ. Vào lúc này, tất cả tập đoàn hoặc các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực này đều đuổi theo LED xanh dương. Nakamura vì thế được giao đề tài nghiên cứu này.

Công ty của Nakamura là một công ty nhỏ, hầu như không có kinh phí nghiên cứu. Công việc quá khó khăn và không có kết quả gì đáng kể, công ty đã tính bỏ cuộc và điều động Nakamura sang dự án khác.

Nhưng ông không bỏ cuộc, cứ lầm lũi một mình suốt 10 năm rồi tìm đến người sáng lập công ty trình bày nguyện vọng chinh phục LED xanh dương. Được sự ủng hộ của người chủ công ty, ông được làm nghiên cứu tiếp và cuối cùng thành công.

Giải pháp của Nakamura hoàn toàn độc lập với nhóm Akasaki và Amano trong việc tạo ra lớp màng mỏng GaN, đặc biệt ở phần tạo ra lớp bán dẫn loại p-GaN. Thay vì dùng chùm điện tử - một kỹ thuật rất cao và tốn kém - Nakamura dùng phương pháp xử lý nhiệt.

Cũng chính ông đã phát hiện vai trò của chùm điện tử trong phương pháp của Akasaki và Amano là để loại bỏ các nguyên tử hydro, tác nhân ngăn cản việc hình thành lớp p-GaN. Vì thế xử lý nhiệt, hiểu đơn giản là nung nóng lên, sẽ giúp loại bỏ các nguyên tử hydro này.  

Như vậy, đến những năm 1990, cả hai nhóm đã chế tạo thành công LED xanh dương trên nền vật liệu GaN. Những cải tiến sau đó đã giúp nâng cao hiệu suất của công nghệ này. Kỷ nguyên mới của đèn LED và do đó của ngành công nghiệp chiếu sáng được mở ra.

Vô vàn ứng dụng của LED từ màn hình tivi, máy tính, điện thoại đến các nguồn sáng trên phố hay chiếc đèn pin… đã ra đời cùng với sự xuất hiện của LED xanh dương.