REKLAMA


 

REKLAMA


 

O niebieskich diodach i wyścigu z Japonią

Ważniejszą dla mnie sprawą niż sukcesy naukowe jest to, że coraz bardziej realna staje się możliwość wykorzystania naszych badań oraz doświadczenia firm Ammono SA i TopGaN przez polską gospodarkę – mówi prof. dr hab. Sylwester Porowski


Porowski_Sylwester

Naszym rozmówcą jest
Sylwester Porowski

d. Instytut Wysokich Ciśnień,
Polska Akademia Nauk, Warszawa
 


Academia: Jest pan jedną z niewielu osób w Polsce specjalizujących się w wytwarzaniu i stosowaniu wysokich ciśnień.

Prof. Sylwester Porowski: Właściwie cała koncepcja naszego Instytutu zbudowana jest wokół odtworzenia w laboratorium warunków panujących w Ziemi na głębokościach do 500 km, a nawet 1000 km. Umożliwia to z jednej strony badania w dziedzinie fizyki o charakterze absolutnie podstawowym, a z drugiej praktyczne wykorzystanie ciśnień, które mogą trwale zmieniać właściwości materiałów. Dzięki temu można wytwarzać nowe materiały albo poprawić te, których już używamy. Jakie nowe materiały udało się wytworzyć pod wysokimi ciśnieniami?

Historycznie pierwszym wyzwaniem dla fizyki wysokich ciśnień było wytworzenie w warunkach laboratoryjnych diamentu, o którym od dawna wiadomo było, że zbudowany jest z atomów węgla. Natura tworzy go w głębi Ziemi. Dziś wysokociśnieniowa synteza diamentu jest już procesem przemysłowym. Ostatnio mówi się, że wytwarzane pod ciśnieniem kryształy azotku galu są nawet cenniejsze od diamentu. Wysokie ciśnienia pozwalają nam na uzyskanie również nanokrystalicznych metali, ceramiki i szkieł specjalnych o bardzo wysokich wytrzymałościach mechanicznych. Prowadzimy też badania nad materiałami biologicznymi. Na przykład żywność poddaje się działaniu wysokiego ciśnienia, żeby zapewnić z jednej strony lepsze właściwości odżywcze, a z drugiej strony zabezpieczenie przed bakteriami i patogenami.

 

Od czego się to wszystko zaczęło?

Pomysł powstania Laboratorium Fizyki Wysokich Ciśnień, a potem Instytutu Wysokich Ciśnień PAN wyszedł od prof. Leonarda Sosnowskiego. W 1960 roku, w momencie powstania Laboratorium w Instytucie Fizyki PAN, prof. Sosnowski miał już jasną wizję tego, że półprzewodniki są materiałami, które zadecydują o rozwoju naszej cywilizacji. Był zdania, że postęp w tej dziedzinie będzie zależał w dużym stopniu od wprowadzania nowych metod badawczych. Uważał, że w Polsce powinno się rozwinąć badania półprzewodników w wysokich ciśnieniach. Początkowo badaliśmy wpływ wysokich ciśnień na własności półprzewodników z tzw. wąską przerwą energetyczną. Był to wtedy temat aktualny i ważny. Już jedne z pierwszych wyników eksperymentalnych okazały się niezwykle interesujące. Pokazały one, że w jednym z najważniejszych półprzewodników z tej grupy, telurku rtęci HgTe, wysokie ciśnienie może zmienić kolejność poziomów energetycznych Г15 i Г1, z których powstają główne pasma: walencyjne i przewodnictwa. Ten wynik był kluczem do zrozumienia własności tego półprzewodnika, który okazał się podstawowym materiałem w rozwoju fizyki i technologii detektorów podczerwieni. Wynik ten otworzył nam drogę do bardzo bliskiej współpracy z Laboratorium Wysokich Ciśnień Uniwersytetu Harvarda, co ogromnie pomogło nam w dalszych badaniach i przyspieszyło rozwój kolejnych wysokociśnieniowych metod badawczych ważnych już nie tylko dla fizyki półprzewodników, ale również dla badań metali, nadprzewodników, ceramiki czy materiałów biologicznych.

 

W 2013 roku dostał pan nagrodę Fundacji Nauki Polskiej, jedno z najważniejszych polskich wyróżnień.

Tak, za prace związane z opracowaną przez nasz Instytut wysokociśnieniową metodą otrzymywania monokryształów azotku galu GaN. Była to pierwsza w świecie metoda uzyskiwania tych kryształów. Powstała w 1993 roku po wielu latach badań własności azotku galu w wysokich ciśnieniach. Fundacja podkreśliła również wagę tych kryształów dla rozwoju fizyki azotku galu oraz fizyki i technologii przyrządów elektronicznych z tego półprzewodnika, głównie niebieskich laserów.

Był to sukces dużego zespołu. Pracowaliśmy bardzo harmonijnie. W Instytucie Wysokich Ciśnień PAN ludzie potrafią znakomicie współpracować i jeżeli potrzeba, bezinteresownie sobie pomagają. Myślę, że w dużym stopniu właśnie to umożliwiło nam zbudowanie w Polsce niebieskiego lasera. I to jest dla mnie największa satysfakcja.

 

Nowa generacja kryształów GaN.  Duża szybkość wzrostu 200-240 µm/h  Nowa generacja kryształów GaN.  Duża szybkość wzrostu 200-240 µm/h

 

W tym roku Nagroda Nobla z fizyki została przyznana za prace dotyczące właśnie azotku galu.

Nagroda ta została przyznana japońskim uczonym Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamurze za wynalezienie wydajnych diod z azotku galu świecących niebieskim światłem. W uzasadnieniu noblowskim podkreślone jest, że wynalazek ten pozwolił na skonstruowanie wydajnych, energooszczędnych źródeł światła białego. Nagroda ta bardzo nas ucieszyła. Są to nasi koledzy, z którymi często się spotykamy, mamy szereg wspólnych publikacji – i bardzo im gratulujemy sukcesu.

Jak ważny był to wynalazek, pokazuje spowodowany przez niego dramatyczny wzrost efektywności zamiany energii elektrycznej na białe światło. Wiek XIX to żarówka Edisona – 16 lumenów z 1 wata. Wiek XX – najwydajniejsze lampy fluorescencyjne – 70 lumenów z 1 wata. Wiek XXI – białe diody LED wykorzystujące wynalazek noblistów – 300 lumenów z 1 wata. Amerykański Departament Energii (DOE) przewiduje, że w Stanach Zjednoczonych w 2030 roku oszczędności zużycia energii na oświetlenie spowodowane stopniowym wprowadzaniem lamp diodowych wyniosą 46%. Łączna oszczędność do tego czasu w USA wyniesie 230 mld dolarów. Te oszczędności pokazują skalę rewolucji w oświetleniu spowodowaną wynalazkiem noblistów.

 

Wiadomo, że diody świecące istniały już wcześniej. Znamy diody czerwone czy zielone. Dlaczego niebieskie pojawiły się dopiero teraz?

Historia diod świecących jest rzeczywiście długa. Zjawisko elektroluminescencji, na którym opiera się wynalazek noblistów, zostało odkryte w 1907 roku przez H.J. Rounda i przez ponad 40 lat było całkowicie niezrozumiałe. Zaobserwował on, że jeżeli przez kryształek SiC przepuścić prąd elektryczny, to generowane jest jasne światło. Dopiero rozwinięcie teorii pasmowej ciał stałych i zrozumienie, że w półprzewodnikach prąd elektryczny może być przenoszony zarówno przez nośniki znajdujące się w pasmie walencyjnym (półprzewodnik typu p), jak i w paśmie przewodnictwa (półprzewodnik typu n) oraz opracowanie przez prof. Leonarda Sosnowskiego teorii tzw. złącza p-n, które tworzy się na styku półprzewodnika typu p i typu n, pozwoliło na wyjaśnienie zjawiska elektroluminescencji. Przepływ prądu przez złącze p-n powoduje, że nośniki z pasma walencyjnego, tzw. dziury i elektrony z pasma przewodnictwa, wpływają do złącza i tam rekombinują, generując światło (1951 Lehovec et al.).

Mimo zrozumienia fizyki zjawiska trzeba było jeszcze czekać 10 lat na zbudowanie przez Nicka Holonyaka czerwonej diody LED oraz kolejnych 10 lat na uruchomienie masowej produkcji takich diod przez amerykańską firmę Fairchild Electric.

 

A kiedy pojawiła się pierwsza dioda niebieska z GaN?

Mimo że od lat 60. ubiegłego wieku wiadomo było, że diodę niebieską można skonstruować z azotku galu, to jednak postęp prac był znacznie wolniejszy niż dla diody czerwonej. Pierwsza dioda niebieska została skonstruowana w 1970 r. w firmie RCA przez J. Pankove’a z zespołem. Ponieważ monokryształów azotku galu w tym czasie nie było, jako podłoże został użyty kryształ szafiru, na który GaN został nałożony metodą chemiczną. Niestety, wydajność diody była bardzo niska i mimo dalszych kilku lat badań nie dało się jej poprawić. Program badawczy został więc zamknięty w 1974 roku. Bardzo ważne były jednak zalecenia, które podał Pankove w 1973 roku dotyczące tego, co musi być zrobione, aby w pełni wykorzystać możliwości GaN w elektronice. Zalecenia te były na tyle celne, że znajdują się one w uzasadnieniu Nagrody Nobla.

Pankove zalecał rozwiązanie dwóch kluczowych problemów. Po pierwsze, opracowanie technologii syntezy idealnych monokryształów GaN. Po drugie, opracowanie technologii otrzymywania GaN typu p, tak by można było stworzyć prawdziwe złącze p-n.

 

 

Jaki był początek badań nad GaN w Instytucie Wysokich Ciśnień?

Już w połowie lat 70. zaobserwowaliśmy, że GaN rozkłada się w wysokich temperaturach nawet w wysokim ciśnieniu azotu. Postanowiliśmy ustalić, jakie ciśnienie jest niezbędne, żeby ten rozkład powstrzymać. Wynikiem tych badań było wyznaczenie w 1984 roku krzywej równowagi, która rozdziela obszar warunków ciśnienia i temperatury, w których GaN jest stabilny, i ten, w których się rozkłada. Był to dobry początek do podjęcia prac nad otrzymaniem monokryształów GaN niezbędnych do konstrukcji wydajnych przyrządów zgodnie z zaleceniem Jacques’a Pankove’a z 1973 roku. Co w tym czasie robili dzisiejsi nobliści japońscy?

W Japonii i innych krajach prowadzone były systematyczne prace nad udoskonaleniem osadzania cienkich warstw GaN na podłożu szafirowym. Jakość strukturalna warstw została znacznie poprawiona, aczkolwiek ilość defektów (tzw. dyslokacji) nadal była na poziomie nieakceptowalnym dla diod z innych półprzewodników. Niemniej w 1989 roku, po uzyskaniu przez Amano i Akasaki GaNu typu p, nastąpił przełom, ponieważ okazało się, że diody LED z GaN, mimo że złej jakości strukturalnej, niezwykle wydajnie emitują światło niebieskie.

Doprowadziło to bardzo szybko do opracowania pierwszej przemysłowej technologii produkcji takich diod. Już w 1999 roku „Forbes” ogłosił nadchodzącą rewolucję w przemyśle oświetleniowym, której głównym autorem był Shuji Nakamura – tegoroczny laureat Nagrody Nobla. W 1996 roku Nakamurze udało się skonstruować również pierwszy niebieski laser. Okazało się jednak, że o ile warstwy GaN na szafirze miały wystarczającą jakość dla konstrukcji wydajnych diod niebieskich LED, to dla laserów defekty strukturalne w takiej warstwie stanowiły istotne ograniczenie dla osiągnięcia wysokiej mocy i długiego czasu życia. W tej sytuacji dostrzegliśmy szansę dla wykorzystania naszych kryształów GaN otrzymanych pod wysokim ciśnieniem.

 

Czyli lata 90. były przełomowe dla rozwoju przyrządów na GaN emitujących światło diod i laserów. Jak się te badania rozwijały wtedy w Polsce?

W tym czasie w Polsce, w odróżnieniu od Japonii, nie było ani aparatury, ani technologii niezbędnych do budowy diod, a zwłaszcza laserów z azotku galu. Niemniej w 1993 roku mieliśmy już kryształy GaN o gęstości defektów 10 milionów razy mniejszej niż w technologii japońskiej. Nasze kryształy pod względem strukturalnym były prawie idealne. Było to bardzo silną motywacją do podjęcia w Polsce prac zmierzających do rozwinięcia fizyki i technologii przyrządów optoelektronicznych, a zwłaszcza laserów.

Niestety, na uruchomienie Strategicznego Programu Rządowego „Rozwój Niebieskiej Optoelektroniki” czekaliśmy 7 lat.

W międzyczasie, w 1999 roku, Shuji Nakamura umocnił nas w słuszności podjętego przedsięwzięcia, konstruując na jednym z naszych kryształów laser pracy ciągłej o mocy 30 mW i czasie życia 3000 godzin, co było wtedy absolutnym rekordem światowym.

W tym samym roku, jeszcze przed startem Programu Rządowego, dołączył do nas prywatny inwestor, dzięki któremu możliwe było rozpoczęcie w Instytucie budowy laboratorium laserowego.

W 2000 roku ruszył wspomniany Program Rządowy, w ramach którego na lasery GaN przeznaczono około 10 mln zł. Zainwestowane środki prywatne i państwowe pozwoliły na szybkie osiągnięcie akcji laserowej (emisji spójnego promieniowania). Już w 2001 roku został skonstruowany pierwszy polski laser ze strukturą aktywną wykonaną metodą MOVPE (krystalizacja z fazy gazowej), natomiast w 2004 pierwszy na świecie laser uzyskany metodą MBE (krystalizacja z wiązek molekularnych Ga i N2+), który do dziś stanowi naszą specjalność i na który mamy patenty.

Było to dla naszego Instytutu ogromną satysfakcją i motywacją do dalszego rozwoju tego kierunku badań w Polsce.

 

Wiemy, że GaN robi w tej chwili na świecie ogromną karierę, nie tylko w związku z oświetleniem. Jak ta dziedzina wygląda dziś w Polsce?

Badania naukowe w dziedzinie fizyki i technologii GaN są obecnie prowadzone w 11 instytutach naukowych. Trudno mi ocenić całkowitą ilość i jakość publikacji powstałych w Polsce na ten temat, ale tylko w naszym Instytucie powstało ich ponad 800 i uzyskały ok. 15000 cytowań.

Polskie środowisko fizyków i technologów GaN należy do najsilniejszych w Europie. Najważniejsze wyniki dotyczą kryształów GaN otrzymywanych metodami amonotermalną, HVPE i wysokociśnieniową oraz fizyki i technologii laserów budowanych na tych kryształach. Są to wyniki na najwyższym poziomie światowym.

Wyniki badań naukowych są komercjalizowane w dwóch firmach Hi-Tech Ammono SA (kryształy) i TopGaN Sp. z o.o. (kryształy i lasery) stworzonych przez uczonych z udziałem kapitału prywatnego. Firmy te zatrudniają po kilkadziesiąt osób, co pozwala na rozwój technologii i małoseryjną produkcję kryształów i laserów GaN.

Do osiągnięcia pełnego sukcesu rynkowego niezbędne jest obecnie wielokrotne zwiększenie skali tych przedsięwzięć w celu uruchomienia produkcji masowej.

Według wyrażonego ostatnio (5.11.2014) stanowiska Wydziału III PAN: „Pełne wykorzystanie potencjału ośrodków naukowych oraz technologicznego spółek Ammono i TopGaN wymaga zaangażowania dużych polskich przedsiębiorstw przemysłowych. Tylko podmioty z doświadczeniem w produkcji masowej i rozbudowanej dystrybucji mogą przekuć unikalne technologie na produkty powszechnie wykorzystywane przez globalne koncerny i ich dostawców”.

 

Aparatura MBE (krystalizacja z wiązek molekularnych Ga i N2+)

 

Jak badania GaN rozwijają się na świecie?

Badania w dziedzinie azotku galu rozwijają się niezwykle intensywnie. Jednak mimo kilkudziesięciu już lat badań technologia monokryształów GaN jest ciągle daleką od doskonałości i w porównaniu z technologią Si (krzemu) jest na poziomie odpowiadającym co najwyżej technologii krzemu w latach 60. W ciągu najbliższych 10 lat czeka nas jeszcze wiele przełomowych odkryć. Ale już w tej chwili wiadomo, że wywołana przez diody niebieskie rewolucja w oświetleniu jest zaledwie „wierzchołkiem góry lodowej” pełnych możliwości azotku galu.

Do najważniejszych obszarów zastosowań GaN należą projektory i oświetlenie laserowe, telekomunikacja, energetyka, medycyna, a także przyszłe zastosowania związane z promieniowaniem terahercowym i spintroniką. Dla wszystkich tych zastosowań krytycznym warunkiem jest doskonała jakość monokryształów GaN. Stwarza to dla Polski ogromną szansę, ponieważ w konkurencji światowej polskie kryształy mają ciągle rekordowe własności strukturalne. Dotyczy to w szczególności nowej generacji kryształów otrzymywanych we współpracy naszego Instytutu z Ammono SA. Metoda ta, nawet przy bardzo szybkim wzroście, pozwala na zachowanie najwyższej jakości strukturalnej i czystości chemicznej, co umożliwi wykorzystanie ich w masowej produkcji.

 

Czy przy okazji tych prac ujawniły się „polskie piekiełka”?

Bardzo nie lubię tego określenia, ponieważ myślę, że te „piekiełka”, o które Pani pyta, związane są głównie ze złą strukturą wielu naszych instytucji i mentalnością, którą odziedziczyliśmy po poprzednim okresie. W Polsce jest wiele instytucji czy też firm, w których ludzie współpracują, aby osiągnąć wspólny cel i nawzajem sobie pomagają. Tam tych „piekiełek” nie ma. Oczywiście nie znaczy to, że nie natrafialiśmy na trudności, które można by tak nazwać, ale były one zawsze związane z zewnętrznymi instytucjami i zbiurokratyzowaniem administracji. Największą trudnością, która najbardziej nam zaszkodziła, to długie, stracone lata oczekiwania na uruchomienie Programu „Rozwój Niebieskiej Optoelektroniki”. W badaniach aplikacyjnych, w warunkach konkurencji, szybkość działania jest głównym czynnikiem sukcesu.

 

Opowiedział pan o fascynujących rzeczach. Czy ma pan poczucie, że odniósł sukces?

Raczej tak. Bardzo ważny jest dla mnie Instytut. Wielką satysfakcję sprawia mi to, jak się rozwija. Od czterech lat nie jestem już dyrektorem, a Instytut z roku na rok ma coraz lepsze wyniki. Jest jak drzewo, które się rozrasta.

Najwięcej rozmawialiśmy o badaniach azotku galu. Z satysfakcją patrzę na naszą pozycję światową w tej dziedzinie. Ale chyba nawet ważniejszą dla mnie sprawą niż sukcesy naukowe jest to, że coraz bardziej realna staje się możliwość wykorzystania naszych badań oraz doświadczenia firm Ammono SA i TopGaN przez polską gospodarkę.

 

Rozmawiały Agnieszka Pollo i Anna Zawadzka, zdjęcia Jakub Ostałowski

 

 


Prof. dr hab. Sylwester Porowski
jest fizykiem specjalizującym się w fizyce ciała stałego. W latach od 1964 do 2010 roku kierował Laboratorium Ciśnieniowych Badań Półprzewodników Instytutu Fizyki PAN, które w 1972 roku przekształciło się w Laboratorium Fizyki i Technologii Wysokich Ciśnień „Unipress” PAN, a w 2004 roku w Instytutu Wysokich Ciśnień PAN. Prace badawcze prowadził także m.in. na Uniwersytecie Harvarda (1967-69) oraz Uniwersytecie Montpellier (od 1978). Jest członkiem Polskiego Towarzystwa Fizycznego, European Physical Society oraz Światowej Organizacji Fizyki i Technologii Wysokich Ciśnień AIRAPT, której przewodniczył w latach 1999–2003.

 

© Academia nr 4 (40) 2014

 

 

Oceń artykuł
(2 głosujących)

„Academia” 2018

    

 

„Academia” 2016

    

 

  

 

                                                          

„Academia” 2015

    

 

    

 

                                                             

„Academia” 2014

    

    

„Academia” 2013

    

    

„Academia” 2012

         

     

„Academia” 2011

   

    

„Academia” 2010

    

    

„Academia” 2009

    

    

„Academia” 2008

    

    

„Academia” 2007

    

    

„Academia” 2006

    

    

„Academia” 2005

    

    

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl