قصة التحدي في اختراع الضوء الأزرق من الباعثات الثنائية

قصة التحدي في اختراع الضوء الأزرق من الباعثات الثنائية

ناصر بن صالح الزايد

مقدمة:

لم يكن من الصعب الحصول على بواعث أو باعثات (دايودات مضيئة) بألوان الأحمر والأخضر، غير أن الحصول على اللون الأزرق مثل تحديا صعبا جدا تحطمت على صخراته جهود كثيرة ليس على مستوى الأفراد، بل حتى على مستوى الشركات الكبرى مثل IBM وغيرها. فكيف تم تحقيق هذا الحلم العملاق؟ طبعا علينا أن نعلم أن اللون الأبيض لم يكن ممكنا بدون توفر الثلاثة ألوان في نفس الوقت: الأحمر، الأخضر والأزرق.

فكرة عمل الباعث LED (الدايود المضيء):

عندما يمر تيار كهربائي في المصباح التقليدي (اللمبة) فإنه يسخن ويتوهج ومن ثم يطلق الضوء. كفاءة هذه اللمبة سيئة للغاية لأنه فقط بعض الضوء مفيد أما الباقي فيهدر بشكل حرارة. ولذلك مكلفة في فواتير الكهرباء.

أما الليد (الباعث الضوئي) فإن فكرته مختلفة تماما حيث تقوم فكرته على أشباه الموصلات. عندما يتم تطبيق الجهد عبر الليد، تتحرك الإلكترونات من المادة النوع n  إلى المادة النوع p ، وفي الوقت نفسه، تتحرك الثقوب في الاتجاه المعاكس. عندما يلتقي إلكترون بثقب في وصلة  p-n، يهبط في مستوى طاقة أقل، مطلقًا الفرق بين طاقته السابقة وطاقته الجديدة على شكل فوتون - وحدة الضوء الأساسية.

طول الموجة (وبالتالي اللون) للضوء الذي يصدره الليد يعتمد على طاقة الفجوة للمواد المستخدمة في وصلة p-n . تحدد هذه الفجوة الفرق في الطاقة بين حالة الإلكترون عالية الطاقة و حالته منخفضة الطاقة. المواد ذات فجوات الطاقة المختلفة تصدر فوتونات بأطوال موجية مختلفة، مما يتيح للليد إنتاج طيف واسع من الألوان. اللون الأبيض هو مزيج من جميع الألوان. تأمل معي كيف أن فوتونا واحدا يمكن أن يكون أحمر أو أخضر أو أزرق؟ أليس هذا أمر في غاية الإبداع؟ سبحان الله.

لعلك أدركت مصدر التحدي؟ عندما نريد إنتاج ضوء بأشعة تحت الحمراء (مثل ريموت التلفزيون)، فيلزم طاقة فجوة في حدود 1.1 إلكترون فولت ويمكن الحصول عليها بسهولة من السيليكون أو من زرنيخيد الغاليوم  (GaAs). يزداد التحدي قليلا عندما نريد ليدات باللون الأحمر الفاقع، حيث يمكن استخدام زرنيخيد الغاليوم مع الألومنيوم  (AlGaAs)للحصول على طاقة فجوة في حدود 1.8 إلكترون فولت. ثم يرتفع مستوى التحدي أكثر للحصول على لون أخضر حيث يلزم استخدام نيتريدات الغاليوم  (GaN) التي توصلنا لطاقة بمستوى 2.3 إلكترون فولت. لكننا نحتاج إلى قفزة جديدة لتوفير اللون الأزرق لكي نصل إلى 3.0 إلكترون فولت، حيث استغرق الكفاح عدة عقود من الزمن لتحقيقه بسبب صعوبة توفير مركب يملك هذه الخاصية.

معارك التحدي الطاحنة لتحضير ليدات بلون أزرق:

بسبب الأهمية البالغة للسبق في إنتاج اللون الأزرق وما يعود به من الثروات الهائلة للشركات و للباحثين، فقد اشتعلت نار الحرب الضروس التي بدأت بعد إعلان المهندس الكهربائي لدى شركة جنرال إلكتريك، نك هولونياك Nick Holonyak تمكنه من إنتاج أول باعث يصدر ضوءا يمكن رؤيته بالعين (أحمر) في العام 1962 من مركب: GaAs0.60P0.40 .

مع أن هولونياك يسمى (أبو الليد)، غير أنه في  الحقيقة ليس المؤسس الحقيقي لهذه التقنية، بل يعود الفضل الأصلي للعالم الروسي أوليق لوسيف Oleg Losev الذي نشر في عام 1927 نظرية عمل الليد، وما عمل هولونياك إلا تطبيق لتلك النظرية. ولعل من المناسب ذكر شيء عن هذا العالم الشاب الذي توفي قبل أن يبلغ 40 سنة، ولم يتمكن من الحصول على أية شهادات علمية متقدمة، ولم يتمكن من الاستقرار حتى في أي مكان علمي أو بحثي، إلا أنه تمكن من نشر 43 بحثا مع 16 براءة اختراع، كان من ضمنها نشره لأول نظرية علمية توضح كيف يمكن إنتاج باعث ثنائي مشع للضوء. 

كما أن هناك مساهمات أخرى لا يهمنا أن نتوقف عندها كثيرا طالما هدفنا الأساسي هو الاطلاع على معالم المعركة التي أشرنا إليها. إنها معركة ذات البواعث الزرقاء.

على اليمين العالم الروسي: أوليق لوسف، صاحب أول نظرية عن الباعثات الثنائية للضوء. على اليسار صورة للحاسبات التي انتشرت في السبعينيات من القرن الماضي بسبب اكتشاف الباعثات ذوات الألوان الأحمر والأخضر

 بعد أن تحطمت آمال وأحلام العلماء والشركات والباحثين وأنفقوا مئات الملايين من الدولارات دون جدوى، كما يعبر عن ذلك كلمة قالها مدير شركة مونسانتو والبعض ينسبها لهولونياك نفسه (يقصد الليدات): " لن تحل محل إضاءة المطبخ أبدًا، ستُستخدم فقط في الأجهزة ولوحات القيادة بالسيارات وأجهزة الاستريو لمعرفة ما إذا كان الاستريو يعمل". بالفعل انتشر استخدام الليدات في أجهزة كثيرة كان من أشهرها ظهور الآلات الحاسبة الرقمية كتلك التي في الصورة.

واستمر الوضع دون تغيير، وشبه توقف البحث لدى معظم الجهات لمدة قاربت 30 سنة، ولم يتبق إلا المحاولات الفردية، لولا أن قيض الله باحثا يابانيا من نوع خاص، يتسم بحب الكفاح، وصناعة المستحيل. مع صورة واضحة للهدف الآن: هناك حاجة لطاقة فجوة في حدود 3 إلكترون فولت.

كان شوجي ناكامورا Shuji Nakamura باحثًا في شركة كيميائية يابانية صغيرة تُدعى ناشيا. كانوا قد توسعوا في إنتاج أشباه الموصلات لاستخدامها في تصنيع الـليدات الحمراء والخضراء. لكن بحلول أواخر الثمانينات، كان قسم أشباه الموصلات يلفظ أنفاسه الأخيرة حيث كانوا في مواجهة شركات أكثر رسوخًا في السوق و لذلك كانوا يخسرون، بدأت التوترات تتصاعد، حيث كان العاملون الأقدم منه يعتبرون بحثه مضيعة للمال الذي كان شحيحًا في تلك الشركة الصغيرة. بحلول عام 1988، كان المشرفون على ناكامورا محبطين جدًا من بحثه لدرجة أنهم طلبوا منه أن يستقيل. لذا، ومن باب اليأس قدم اقتراحًا ثوريا لمؤسس الشركة ورئيسها. ماذا لو كانت ناشيا هي التي تنجح في إنتاج الـليد الأزرق الذي فشلت فيه شركات مثل سوني وتوشيبا وباناسونيك جميعًا. ماذا لو كانت ناشيا هي من يمكنها خلقه بعد خسارة تلو الأخرى على أشباه الموصلات لأكثر من عقد. أقدم رئيسه، أوغاوا، على المخاطرة وخصص ثلاثة ملايين دولار أمريكي، وهو ما يعادل تقريبًا 15% من أرباح الشركة السنوية، لمشروع ناكامورا الطموح.

كما سبق هدف ناكامورا صار واضحا: البحث عن مركب جيد يوفر الطاقة المطلوبة أو يفوقها: 3 إلكترون فولت. إذن كانت هناك حاجة لبلورات نقية جدا خالية من أية شوائب. كانت أول خطوة في خطته أن يستأذن من مديره للسفر إلى فلوريدا بالولايات المتحدة لأخذ قسط جيد من التدريب على يدي زميل له هناك وذلك على استخدام تقنية جديدة في ذلك الوقت تُسمى الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني أو MOCVD، وهو عبارة عن نوع من الأفران المتخصصة في تبخير عناصر معينة ثم ترسيبها على شرائح خاصة، حيث كانت المعضلة الأساس هي أن تتوافق بلورة البخار عندما يترسب مع بلورية الشريحة. لسوء حظ ناكامورا فقد منع من استخدام ذلك الفرن، مما اضطره لصناعة فرن خاص به من الصفر، كما أنه كان شخصا غير مهم بين العاملين هناك كونه لا يحمل شهادات علمية، خاصة الدكتوراه، وليس لديه سجل بالنشر العلمي كونه أثناء عمله في الشركة اليابانية كان يعامل معاملة الفني ولا يوضع اسمه ضمن الباحثين الآخرين. فقرر مواجهة هذه المعضلة بعزيمة وإصرار ليس له نظير.

عاد إلى اليابان بعد حوالي سنة في فلوريدا أي في العام 1989، وهو يضمر الرغبة الملحة في الحصول على الدكتوراه. لحسن حظه فقد كانت اليابان في وقتها تسمح بالحصول على الدكتوراه دون المرور بالنظام التقليدي ولا حتى الدراسة في الجامعات، بشرط نشر خمسة بحوث علمية محكمة كحد أدنى. وكان عليه أن يختار أيضا مركبا يعمل عليه لنشر بحوثه، وأقل شيء أن يحصل على الدكتوراه، وإن وجد ضالته في الضوء الأزرق فهو الهدف الأسمى. وقع اختياره بعد دراسة وافية على مركب نيتريدات الغاليوم الذي حتى ذلك الوقت لم يتمكن العلماء من تحضير إلا نوع n منه باستخدام السليكون، وكان الطريق تقريبا مسدودا للحصول على النوع p . للمعلومية كانت هناك محاولة سابقة للحصول على ضوء أزرق من هذا المركب في العام 1972 من قبل باحث آخر يعمل في شركة RCA غير أنه ضوء خافت لا يعتد به حيث كان من شروط الضوء المقبول أن يكون أعلى من 1000 مايكرواط. هل عرفت لماذا أعرضنا عن التوسع في شرح الخط الزمني سابقا؟ نعم توجد محاولات لدى الباحثين لكنها لا تحقق جميع الشروط ومنها شدة الإضاءة. كان من ضمن دراسة ناكامورا للأمر أن حضر مؤتمرا في اليابان حول الموضوع فلاحظ أن جميع المشاركين يركزون على مركبات أخرى يقع على رأسها مركب سيلينيد الزنك، بينما حظي نيتريدات الغاليوم على أقل من عدد أصابع اليد الواحدة من البحوث.

كان ناكامورا قد اشترى فرنا خاصا به يشبه الفرن المذكور في فلوريدا، غير أن جميع محاولاته للحصول على مركب نقي على الشريحة المتوفرة لديه كانت تنتهي بالفشل الذريع. قرر أن يقوم بتفكيك الفرن وبنائه من جديد بنفسه لإضافة سمة يبحث عنها. استمر لمدة تجاوزت العام في عمل دؤوب حيث كان يحضر في السابعة صباحا ولا يعود إلا عند السابعة مساء، يعمل بلا كلل ولا ملل سبعة أيام في الأسبوع، بدون إجازات أو فترات راحة لبناء فرن أحلامه وتجربته.

فجأة وعندما كان يدرس أحد عيناته التي حضرها لاحظ أن لديها حركية إلكترونية بأربعة أضعاف ما تم نشره سابقا على نفس المركب (نيتريدات الغاليوم). طار من الفرح حيث كان يمثل بصيص أمل كان في أشد الحاجة إليه في نهاية فترة عصيبة من العمل المضني. كان كل ما أضافه إلى الفرن أن ضمنه مصدرا للهواء الخامل كي يؤثر على البخار ويوجهه باتجاه الشريحة التي يترسب عليها. هذه الإضافة لم تكن معروفة في تلك الأفران وهي من بنات أفكاره. سمي هذا الفرن لاحقا بالفرن ذي الفتحتين. بهذا فقد حصل ناكامورا على بلورات أكثر نقاوة من أي بلورات سابقة حتى تلك التي أنتجها باحثون مشهود لهم بالكفاءة. لكن الأمور تسير أحيانا باتجاه التحدي وتتراكم الصعوبات فجأة في وجه المرء ما قد يؤدي إلى استسلامه. تغير مدير شركة ناشيا، وجاء بعده مدير صارم لم يكن يعتقد بنجاح أفكار ناكامورا، وكان لسوء حظه أيضا أن حضر المدير التنفيذي لشركة ماتسوشيتا اليابانية المتخصصة في الليدات والتي تعتبر أكبر عميل للمواد الكيميائية التي تنتجها شركة ناكامورا (ناشيا)، وألقى محاضرة جاءت على رأس ناكامورا كالصاعقة حيث أظهر أن المسار باتجاه الضوء الأزرق هو من خلال سيلينيد الزنك وليس نيتريد الغاليوم الذي ليس له مستقبل. طالبه المدير الجديد بتقديم استقالته فورا واعتبر أن عمله طوال الفترة الماضية هو مجرد مضيعة للوقت والمال. كان هذا الطلب من خلال خطاب مكتوب استلمه ناكامورا وعندما قرأه مزقه ورماه في القمامة! وتكرر الأمر لعدة مرات وهو لا يزيد على تمزيق الخطابات ورميها في القمامة، وكانت أحيانا تتبع باتصالات هاتفية يتملص منها في كل مرة.

سارع ناكامورا بنشر بحثه الأول عن الفرن ذي الفتحتين دون علم شركته. حتى اللحظة تمكن هذا المهندس من تحضير النوع الأول (نوع n) وبدأت معركته الشرسة مع النوع الثاني (p) حيث يلزم توفير النوعين. تذكر أنه لم يتم إنتاج هذا النوع من قبل، غير أن هناك عالمان آخران قد تمكنا من إنتاج عينات ابتدائية بعد تطعيم المركب بعنصر المغنيسيوم، لكنها لا تعمل إلا عندما تشعع بالإلكترونات. تخيل عشرون عاما من العمل القاسي للحصول أخيرا على نوع p من نيتريد الغاليوم المطعم غير أنه يحتاج إلى تشعيع لكي يعمل. لم يكن أحد من العلماء يفهم لماذا يصنع التشعيع هذا الفرق؟ غير أن هذا كان بمثابة تلميح قوي لناكامورا للتفكير بنفس تفكير العالمين. تساءل مثلهم: ما دور إلكترونات التشعيع يا ترى؟ فخطر على باله أنها ربما ترفع من مستويات الطاقة، وهذا يمكن تحقيقه بطريقة أخرى أسهل وهي التسخين. تمكن فعلا من النجاح بالتسخين عند حرارة 400 درجة مؤية، وفي حين أن تأثير الإلكترونات التشعيعية يتوقف عند حدود المناطق السطحية للعينات، فإن التسخين يصل إلى جميع العينة بما في ذلك أجزاؤها الداخلية.

بذلك فقد توفرت جميع الأجزاء الرئيسية لدى المهندس الذي يشتعل طموحا لكي يبدأ تجاربه الأولى لإنتاج الضوء الأزرق. تمكن بالفعل من إنتاج بواكير الليدات الزرقاء وقدم ورقة في ورشة علمية في الولايات المتحدة في عام 1992 حيث حاز على تفاعل منقطع النظير مع الحضور مخلوطا بالتصفيق والإعجاب. كانت تلك الدايودات  المضيئة تعطي طاقة تصل إلى 42 مايكرو واط فقط (تذكر شرطنا السابق بضرورة تجاوز 1000 مايكرواط). في تلك الأثناء ارتفعت وتيرة خطابات مديره الجديد، وكان يقول له بالحرف: لا نريدك ولا نريد عملك. يقول ناكامورا "لم أعد أعير خطاباته أي اكتراث، كنت واثقا أن أمامي مفاجئات كبيرة".

حاليا بقيت عقبة واحدة فقط أمام ناكامورا: رفع قوة الإشعاع إلى عتبة الألف مايكرواط. كان لدى الرجل الخبرة والمعلومات الكافية، حيث إنه معلوم لديه أن طريقة رفع طاقة الإشعاع في المرات السابقة تتم عن طريق إضافة فلم رقيق بين جزئي الثنائي أي بين n و p وكان معروفا لديه أن نيتريدات الغاليوم مع الإنديوم  هي الخيار الأمثل. هذه الطبقة الرقيقة تشجع مزيدا من الاندماجات بين الإلكترونات والثقوب. كانت هناك مقولة معروفة لدى علماء هذا المجال: الغاليوم لن يختلط مع الإنديوم إلا إذا اختلط الماء بالزيت. لكن هذا مع غير ناكامورا الذي يتميز بالقدرة الفائقة على المناورة من خلال فرنه الذي صار يطوره لتلبية أي احتياج. قرر تجربة أن يضخ كميات كبيرة من الإنديوم على نيتريدات الغاليوم على أمل أن يحصل تفاعل بينهما. لدهشته فقد تم له ما يريد، غير أنه أعطى نتائج عكسية في فجوة الطاقة حيث تقلصت تحت العتبة المطلوبة. قرر إضافة الألمونيوم إلى المركب بغرض رفع فجوة الطاقة، وتحقق له ما أراد. قام بربط الدايود بالتيار الكهربائي، الذي أشع ضوءا أزرق يفوق كل المعايير التي كان يطمح لها. كانت طاقة الإشعاع فوق 1500 مايكرواط متجاوزة بذلك الهدف المطلوب بـ 500 مايكرواط.

وبهذا فقد نجح هذا المهندس العملاق لوحده على ردم فجوة تقنية لم ينجح في ردمها آلاف من الباحثين والمهندسين والشركات على طول الأرض وعرضها، وعلى فترة استمرت لأكثر من 30 عاما فتأمل!! كتب ناكامورا: "شعرت كما لو كنت قد وصلت إلى قمة جبل فوجي". ذهلت شركات الإلكترونيات حول العالم ولم يصدقوا ما يسمعون، مما حدا بشركته ناشيا إلى عقد مؤتمر صحفي أعلنوا فيه أهم إعلان في عالم الإضاءة منذ فجر التاريخ. تفجرت الأموال في يد ناكامورا وفي يد شركته التي تضاعفت ميزانيتها عدة مرات خلال السنوات التالية.

طبعا أصبح الآن الطريق ممهدا لإنتاج إضاءة بيضاء ناصعه مثل الشمس حيث إن الضوء الأبيض هو مزيج من الألوان الثلاثة: أحمر، أخضر، أزرق. حاليا شركة ناكامورا التي كانت تحاول طرده، مداخيلها بالمليارات، وأصبحت أكبر شركة لإنتاج المصابيح البيضاء، في تجارة تبلغ مداخيلها العالمية في حدود 100 مليار دولار.

انفجرت الصناعات بعد هذا الاكتشاف حيث ظهرت أنواع الشاشات المسطحة، وأنواع من الإضاءة البيضاء، وتطورت الشاشات، و تقلصت تكاليف فواتير الكهرباء بشكل حاد، كما تقلصت تكاليف المصابيح الليدية البيضاء بشكل حاد أيضا بعد انتشارها ونقل التقنية لعدة شركات، كما تضاعفت قدرات تخزين البيانات في الأقراص الضوئية. ناكامورا حاليا ترك شركته وصارت بينهم مشاكل بسبب اتهامه تسريب معلومات حول اكتشافه، وهو يعمل برفسورا في علوم المواد في كلية الهندسة لدى جامعة كالفورنيا، سانتا باربارا، في الولايات المتحدة. يشار إلى أنه حصل على جائزة نوبل (بجدارة) في عام 2014 بالتشارك مع اثنين آخرين مقابل هذا الاكتشاف. إضافة إلى ذلك فقد نال جوائز أخرى مثل جائزة الألفية في التكنولوجيا وهي تقارن بنوبل، وجائزة هارفي، وجائزة الطاقة الدولية بالإضافة إلى جائزة الشيخ زايد وغيرها.

Reference:

The Blue Laser Diode: The Complete Story. Shuji Nakamura , Stephen Pearton ,Gerhard Fasol, Springer 2000.

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-04156-7