Sharing Chemistry with the Community

Hóa học của đèn LED

Từ khi đèn LED được phát minh trong những thập niên 90 của thế kỷ trước cho đến bây giờ, thì chúng là một vật dụng không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Bạn dễ dàng bắt gặp chúng ở bất cứ đâu như đèn sinh hoạt, quán bar, phòng hát…Do chúng có rất nhiều màu sắc và tuổi thọ dài hơn các loại đèn truyền thống. Nhưng làm thế nào để các đèn này thực sự hoạt động, và làm thế nào chúng có thể tạo ra một mảng màu sắc như vậy? Trong bài viết về hóa học của đèn LED hôm nay, blog sẽ giúp các bạn hiểu rõ phần nào về chúng nhé!

Khái niệm

LED là từ viết tắt của diode phát sáng (light emitting diode), và chúng thường có một loạt các màu sắc, từ màu đỏ và cam đến xanh dương và tím. Mặc dù chúng có thể trông nhỏ bé, nhưng chúng đang gói gọn trong một số ngành khoa học – trên thực tế, giải Nobel vật lý năm 2014 đã được trao cho các nhà khoa học Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura vì họ đã nghiên cứu ra cách chế tạo đèn LED xanh hiệu quả. Trước khi chúng ta thảo luận về điều đó, hãy bắt đầu với những điều cơ bản nào.

Do đèn LED được làm bằng vật liệu bán dẫn, vật liệu này chỉ dẫn điện dưới một số điều kiện chứ không phải trong tất cả những điều kiện khác. Vì thế, một số vật liệu bán dẫn khác nhau có thể được sử dụng trong các đèn LED, nhưng rất nhiều vật liệu có thành phần chính là galium, ví dụ như gallium nitride và gallium phosphide.

Cấu tạo của đèn LED

Đèn LED bao gồm hai lớp vật liệu bán dẫn. Các lớp được “pha tạp” với các tạp chất, có nghĩa là các nguyên tử của các nguyên tố khác với nguyên tử ban đầu trong vật liệu bán dẫn được trộn lẫn. Việc pha tạp này có thể tạo ra các loại lớp khác nhau: là các lớp loại p (p-layer) và các lớp loại n (n-layer).

Lớp loại n dư thừa electron, trong khi lớp loại p thiếu electron, và như vậy lớp p này sẽ có những orbital trống gọi là “hố điện tử” hay lỗ electron: đây là các vị trí trong những nguyên tử bình thường có electron, nhưng trong trường hợp này chúng lại không có.

Đèn LED hoạt động như thế nào?

Khi một dòng điện được áp dụng cho đèn LED, các electron trong lớp loại n và các lỗ electron trong lớp loại p được điều khiển tới một lớp đang hoạt động (active layer) giữa hai lớp. Khi các electron và electron ‘lỗ’ kết hợp, năng lượng được giải phóng, dưới dạng ánh sáng khả kiến. Trong khi điều này giải thích cách ánh sáng được tạo ra, chúng ta phải xem xét kỹ hơn một chút về những gì đang diễn ra, để giải thích các màu khác nhau có thể thu được như thế nào.

Sự khác biệt màu sắc trong các đèn LED

Các màu sắc thu được từ đèn LED được xác định bởi các vật liệu bán dẫn được sử dụng. Như bạn có thể thấy trong hình ở trên, không chỉ có một vật liệu được sử dụng cho tất cả các màu khác nhau, mà là một loạt các khả năng. Bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau, và thêm các tạp chất khác nhau vào các vật liệu này, chúng ta có thể thay đổi kích thước của khoảng cách năng lượng vùng cấm hay độ rộng vùng cấm (band gap) – đó là kích thước của sự khác biệt năng lượng giữa lớp loại n và lớp loại p.

Độ rộng vùng cấm này càng lớn, thì bước sóng ánh sáng càng ngắn do đèn LED tạo ra. Vì vậy, đối với một đèn LED màu đỏ, độ rộng vùng cấm tương đối nhỏ là bắt buộc. Đối với đèn LED màu xanh, cần có khoảng cách lớn hơn.

Đèn LED có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn dễ dàng hơn để tạo ra, nhưng việc tạo ra các đèn với khoảng cách vùng cấm nhỏ cần thiết để tạo ra ánh sáng xanh dương thì không dễ tí nào và có nhiều vấn đề hơn. Điều này là quan trọng để tiến hành bởi vì đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh dương là tất cả cần thiết để tạo ra ánh sáng trắng. Đầu những năm 1990, các nhà khoa học cuối cùng đã tìm ra cách sản xuất đèn LED màu xanh bằng cách sử dụng gallium nitride và họ được trao giải Nobel năm 2014 cho công việc của họ.

Ưu điểm của đèn LED

Đèn LED ngày nay không chỉ được tìm thấy trong đèn Giáng sinh, mà còn trong nhiều bóng đèn thông thường. Chúng có nhiều ưu điểm so với bóng đèn truyền thống: chúng có thời gian sử dụng dài hơn so với bóng đèn thông thường (lên tới 100.000 giờ so với 1.000 giờ đối với bóng đèn sợi đốt) và chúng tiết kiệm năng lượng hơn, đòi hỏi ít năng lượng hơn để phát ra cùng lượng ánh sáng. Nhờ đèn LED, hóa đơn tiền điện của chúng ta giảm hẳn rõ rệt so với trước đây!

Đến đây thì bạn đã hiểu về hóa học của đèn LED cũng như cách hoạt động của chúng rồi đúng không nào? Các bạn hãy từ từ tận hưởng sức mạnh của hóa học đối với cuộc sống đi nhé!

Tham khảo Compound Interest, Nobelprize và CNET.

Leave a Reply