Pokusy s bílými (a jinými) svítivými diodami: Foto- a elektro-luminiscence jako základ revoluce v osvětlování Jan Valenta katedra chemické fyziky & optiky, Matematicko-fyzikální fakulta UK. Praha

Stručná historie LED 1962 - první červená LED na bázi GaAsP – Nick Holonyak, GE (v souvislosti s prvním diodovým laserem) 1969 – první žlutá LED pomocí dopování GaAsP dusíkem – G. Craford, fy Monsanto (USA) 70. léta - první zelená LED (Bell Labs či Monsanto?) 80. léta - první superjasné červené LED na bázi heterostruktur H. Kroemer (NC 2000) 1992 – Šuji Nakamura ve fy Nichia Chemicals stvořil první super-jasnou modrou LED na bázi GaN/InGaN 12. listopadu 1993 - oznámeno uvedení modré LED na trh - tisková konference fy Nichia v Tokiu = začátek revoluce osvetlovací techniky 1995 – bílá LED – S. Nakamura a kol. fy Nichia, Japonsko. N. Holonyak Literatura: I. Pelant a J. Valenta: Luminiscenční spektroskopie II., Academia, Praha 2010. J. Valenta: Křemíkový laser nebo laser na křemíku, Čs. čas. fys. 2010 I. Pelant a J. Valenta: Studené světlo – Luminiscence doma a v laboratoři, Academia, v recenzním řízení J. Valenta a I. Pelant: Doba LEDová, článek pro Vesmír, zasláno Š. Nakamura

LED = nejúčinnější elektrický světelný zdroj rok uvedení na trh [J. Valenta a I. Pelant: Doba LEDová, článek pro Vesmír, zasláno.]

Haitzův zákon podle vzoru Moora fascinující možnosti rozvoje technologie polovodičové mikroelektroniky vystihnul G. Moore svým známým zákonem (1965) o zdvojnásobení hustoty integ. obvodů každých 1,5 roku. podle jeho vzoru proslovil R. Haitz z fy Agilent zákon o vývoji LED světel roku 2000. Haitzův zákon: Maximální světelný tok z jedné LED lampy se zvyšuje 20× za deset let a zároveň se snižuje cena za lumen 10× za deset let. → naděje na opakování „polovodičové vítězné strategie“ u LED svítidel. [J. Valenta a I. Pelant: Doba LEDová, článek pro Vesmír, zasláno.]

Názvosloví pro LED světla !?! Krajně nevhodný název „LED žárovka“ by bylo dobré nahradit výstižnějším a hezčím. Navrhuji LUMIDKA (vystihuje princip = elektro- a foto-luminiscence = studené světlo !!!, navazuje na hezké názvy světel. zdrojů: svíčka, žárovka, doutnavka, karbidka, zářivka, ...)

Princip a struktura bílé LED Luminofor – nejčastěji YAG:Ce (yttrito hlinitý granát s příměsí céru) [J. Valenta a I. Pelant: Doba LEDová, článek pro Vesmír, zasláno.]

RGB diody – možnost „ladění“ barev Chromatický diagram CIE 1931 Nevýhoda RGB LED osvětlení: - pokud není třeba měnit barvu světla, jsou zbytečně komplikované a drahé Super-jasné plnobarevné displeje (jedna z hlavních motivací při hledání modré LED) Pozor! LED televize jsou LCD monitory s LED podsvícením! [I. Pelant a J. Valenta: Studené světlo ..., Academia, v recenzi]

RGB diody – dříve nerealizovatelná „kouzla“ RGB sprcha „vlnovodná“ s „hydroelektrárnou“ Simulace proměny okolního světla na palubě letounu Boeing 777

Základy práce s LED Možné úkoly: proměření závislosti prahového napětí na barvě světla – souvislost s energií fotonu v eV l[nm] = 1239.511 / E[eV] (hc/e) [I. Pelant a J. Valenta: Studené světlo ..., Academia, v recenzi]

Monochromatické LED Výběr LED v oblasti UV-NIR z nabídky Roithner Lasertechnik, Vídeň - pološířka spektra bývá kolem 20 nm, závisí na struktuřě LED Prahové napětí a energie fotonu nemusí zcela „sedět“ – jeden z důvodů je složitější stavba moderních LED = polovodičové heterostruktury

LED „destrukce“ LED v korkovém špuntu seříznutí „čočky“ LED odleptání epoxidového obalu - např. páry acetonu (položit na topení na mnoho dnů) - velmi často je to destruktivní pro funkci LED, ale umožní pozorovat skladbu LED mikroskopem a pod. LED v korkovém špuntu seříznutí „čočky“ LED výhodné je řezat „chráněnou“ LED v obalu (např. plexisklo) - vyleštění – série brus. papírů, plsť, jelenice - někdy dojde k poškození kontaktů uvnitř (Au drátky)

Konstrukce „bílé“ LED z modré – SOČ A. Raichlová Experimenty v rámci SOČ: A. Raichlová: Použití nanokrystalického křemíku jako luminoforu v bílých LED diodách, Praha 2009. 1 - Seříznutí „čočky“ z modré LED diamant. kotoučkem a vyleštění plochy řezu. 2 – Rozpuštění kousků plexiskla (PMMA) v chloroformu a přidání luminoforu. Postupné nakapávání na LED pro „vyvážení“ výsledné barvy. (Zde luminiskující prášek PSi – příliš červený – výsledné spektrum je „růžové“) „zaklopení“ lumin. vrstvy původní „čočkou“.

Výroba „bílé“ LED z modré – SOČ A. Raichlová Experimenty v rámci SOČ: A. Raichlová: Použití nanokrystalického křemíku jako luminoforu v bílých LED diodách, Praha 2009. Jiné umístění luminoforu vyměnitelná „čepička“ PMMA s luminoforem zatuhlé na dně plastové zkumavky (ependorfky)

Výroba „bílé“ LED z modré – kde vzít luminofor? snížení množství fluorescenční barvičky vymytím ethanolem Extrakce ze zvýrazňovače do vody nebo etanolu. Ladění spektra vymýváním barvičky (hodnocení „okometricky“ nebo spektrometrem, alespoň CDéčkovým)

Optické „soustavy“ s LEDkami a lumidkami Parabola s pokoveným povrchem nebo plastová s totálním odrazem (zde) + růžová LED – zlepšení koncentrace luminiscence, která je emitována všemi směry Vlnovodné efekty – skleněné regály v obchodech s lumidkovým pásem na zadní hraně – totální odraz – světlo je vidět jen z konce – hrany desky Jiné vlnovody - viz sprcha Závěr – Lumidky zřejmě brzy nahradí ostatní druhy elektrických svítidel, proto by studenti měli chápat jejich princip a rozdíl oproti žárovce nebo zářivce. LED světla jsou užitečná k demonstraci řady optických jevů: fotoluminiscence, vlnovedení atd.

Ať žije doba LEDová! Zdar studenému světlu! Světluška menší ♀, Mnichovice 2013