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O LED azul que saiu de um reator caseiro
Numa fabricante química de Tokushima, um pesquisador soldou o próprio forno de cristais e fechou a luz branca com o nitreto de gálio.
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Anan, 1993: o cristal azul que faltava
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Anan, província de Tokushima, 1988. A cidade fica na costa leste da ilha de Shikoku, longe dos centros de pesquisa de Tóquio e de Osaka, e sua fábrica mais conhecida produz fósforos para tubos de televisão e lâmpadas fluorescentes.
A empresa se chamava Nichia Chemical Industries, tinha pouco mais de duzentos funcionários e vendia pó luminescente para clientes maiores. Não havia departamento de semicondutores, não havia doutores no quadro, e o único pesquisador dedicado ao assunto tinha passado dez anos desenvolvendo produtos que quase não vendiam.
Esse pesquisador era um engenheiro formado numa universidade local, contratado sem pós-graduação, que fazia LEDs vermelhos e infravermelhos com material comprado de terceiros. Os clientes ligavam para reclamar de preço, os concorrentes já dominavam a mesma tecnologia havia anos, e três produtos seguidos dele fracassaram no mercado.
O problema técnico que ele resolveu escolher era o mais mal-afamado da indústria de optoeletrônica. LED vermelho existia desde 1962, LED verde existia desde os anos 1970, e o azul, o terceiro vértice da luz, resistia havia três décadas a laboratórios com orçamento cem vezes maior.
A consequência dessa ausência era prática e enorme. Sem azul não existe branco, porque branco é uma soma, e sem branco o LED continuava confinado ao painel de aparelho eletrônico, ao mostrador de rádio-relógio e à lanterna vermelha do videocassete, sem chance nenhuma de iluminar um ambiente.
A maioria dos grupos apostava num material chamado seleneto de zinco, mais fácil de crescer e mais aceito em congressos. O engenheiro de Anan escolheu o material que quase todo mundo tinha abandonado, o nitreto de gálio, e foi pedir dinheiro diretamente ao fundador da empresa, pulando a hierarquia inteira.
Recebeu cerca de três milhões de dólares e um ano de treinamento nos Estados Unidos, e voltou para descobrir que o equipamento comprado não fazia o que precisava ser feito.
Vale abrir a peça e entender por que a cor azul era o vértice que faltava para a luz branca sair de uma pastilha do tamanho de um grão de areia.
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I A invenção de hoje
O vértice que faltava na luz branca
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Um LED é uma junção entre dois pedaços de cristal semicondutor, e a cor que ele emite não é escolhida por filtro nem por tinta: ela vem da distância energética entre os níveis em que o elétron entra e sai.
Quando a corrente atravessa a junção, elétrons de um lado encontram lacunas do outro e caem para um estado de energia menor. A diferença de energia sai na forma de um fóton, e quanto maior a diferença, mais curto o comprimento de onda e mais azulada a luz.
Vermelho pede uma diferença pequena, e materiais como o arseneto de gálio entregam essa faixa sem drama. Azul pede quase o dobro de energia por fóton, o que exige um cristal de banda proibida larga, e cristal de banda larga costuma ser duro, quimicamente teimoso e difícil de dopar.
O nitreto de gálio tem exatamente a banda que o azul pede, mas não existe substrato natural que combine com ele. O cristal precisa crescer sobre safira, cujo espaçamento atômico difere em cerca de 16%, e essa incompatibilidade enche a camada de defeitos, na casa de bilhões por centímetro quadrado, que normalmente engolem a luz antes que ela saia.
O que a peça reúne:
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Substrato de safira aquecido acima de mil graus
a base sobre a qual o cristal de nitreto cresce átomo a átomo
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Camada tampão de baixa temperatura
um colchão amorfo depositado antes do cristal bom, que absorve o descompasso com a safira
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Camada dopada com magnésio, ativada por recozimento
o lado positivo da junção, que ninguém conseguia fazer funcionar
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Poços quânticos de nitreto de índio e gálio
filmes de poucos nanômetros onde elétron e lacuna são obrigados a se encontrar
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Fósforo amarelo de granada de ítrio e alumínio sobre a pastilha
converte parte do azul e devolve a soma como branco
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O ponto mais estranho da peça é que ela funciona apesar dos defeitos. As flutuações de composição do índio criam poços de energia minúsculos que prendem os pares antes que eles alcancem uma falha do cristal, e a luz sai com eficiência alta num material que, pela regra dos semicondutores clássicos, deveria estar morto.
A dopagem positiva era a segunda muralha. O magnésio entrava no cristal, mas ficava grudado no hidrogênio do processo e não liberava carga, e a descoberta que destravou tudo foi banal na aparência: aquecer a lâmina a algumas centenas de graus quebra a ligação, o hidrogênio evapora e o material acorda condutor.
O branco veio depois, e por adição. Uma pastilha azul coberta por fósforo amarelo entrega metade da luz na cor original e metade convertida, e o olho humano lê a mistura como branco, o que transforma o LED de indicador em fonte de iluminação.
A eficiência foi o argumento que derrubou a lâmpada anterior. Uma incandescente entrega perto de 15 lúmens por watt e joga o resto fora como calor, uma fluorescente fica em torno de 60, e o branco de LED comercial passou de 100 lúmens por watt, com dez a vinte e cinco vezes mais vida útil.
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II Acidente ou projeto
Um forno remontado toda manhã
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A escolha foi deliberada e solitária. Shuji Nakamura tinha 34 anos quando decidiu atacar o nitreto de gálio, sabia que os congressos da área tratavam o material como beco sem saída e concluiu que competir onde ninguém estava era a única vantagem que um laboratório de província teria.
O equipamento comprado com o dinheiro do fundador era um reator de deposição química a vapor, e ele não entregava a uniformidade necessária. Em vez de esperar o fabricante, Nakamura passou a modificar a máquina com as próprias mãos, cortando e soldando tubulação de quartzo dentro da própria fábrica.
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A rotina virou um ciclo fechado de dois turnos por dia. De manhã ele desmontava e resoldava o reator, à tarde crescia um filme de cristal e media o resultado, e repetiu a operação por cerca de quinhentos dias seguidos, sem publicar nada e sem pedir autorização para continuar.
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A modificação que resolveu o problema nasceu de um desenho contraintuitivo. Ele acrescentou um segundo fluxo de gás, soprado de cima para baixo contra o substrato, para segurar contra a safira a corrente principal que subia por convecção e escapava antes de reagir.
O caminho que a busca seguiu:
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1. Trocar o alvo de material contra o consenso. Enquanto a maior parte do mundo trabalhava com seleneto de zinco por ser mais fácil de crescer, ele foi para o nitreto de gálio justamente porque era o material que ninguém queria disputar.
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2. Consertar a ferramenta antes de consertar o processo. A conclusão de que o reator comercial nunca daria o filme certo veio cedo, e a decisão de soldar o próprio equipamento economizou os meses que uma encomenda de fábrica levaria.
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3. Testar a hipótese mais simples primeiro. A ativação do magnésio por aquecimento foi encontrada porque ele desconfiou do hidrogênio do processo em vez de procurar um dopante exótico, e o teste custou uma tarde de forno.
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"Meu objetivo era desenvolver algo que ninguém mais conseguisse."
Shuji Nakamura, palestra Nobel de Física, 2014
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A frase acima explica a escolha do problema mais difícil da lista. Um laboratório pequeno não vence uma corrida em que já existem cem competidores adiantados, mas pode vencer sozinho uma corrida que os cem consideram perdida.
O LED azul de alto brilho foi anunciado em 1993, com uma intensidade cerca de cem vezes maior que a de qualquer azul comercial anterior. A Nichia saiu do ramo de pó fosforescente e virou fabricante global de semicondutor de iluminação em poucos anos.
A recompensa pessoal foi de vinte mil ienes, cerca de duzentos dólares, pagos como bônus de patente segundo a política interna da empresa. Nakamura processou a Nichia em 2001, ganhou em primeira instância uma indenização de vinte bilhões de ienes, viu o valor cair no acordo de 2004 para algo perto de oitocentos e quarenta milhões, e mudou-se para uma universidade na Califórnia.
O reconhecimento científico veio em 2014, quando o Nobel de Física premiou a peça inteira: Isamu Akasaki e Hiroshi Amano pelas camadas tampão e pela dopagem tipo p, e Nakamura pelo processo que transformou tudo num produto fabricável.
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