Tia xanh bất khả thi — đang sáng trong túi quần bạn

Cái màn hình bạn đang nhìn — nó suýt không tồn tại

Thử nghĩ xem. Mười một giờ đêm, bạn nằm trên giường lướt điện thoại. Ánh sáng trắng xanh từ màn hình hắt lên mặt. Bình thường. Quá bình thường đến mức bạn chẳng bao giờ thắc mắc nó đến từ đâu.

Nhưng cái ánh sáng trắng đó — nó là kết quả của một cuộc chiến ba mươi năm mà gần như cả giới vật lý bán dẫn đã bỏ cuộc.

Tôi không nói quá. Ba mươi năm. Hàng trăm phòng thí nghiệm trên thế giới thử rồi lắc đầu. Và cuối cùng, người phá vỡ bế tắc lại là một gã kỹ sư ở công ty hóa chất nhỏ xíu trên đảo Shikoku, Nhật Bản — nơi mà đồng nghiệp nghĩ ông ta đang phí đời. Tiền thưởng ông nhận được sau phát minh tỷ đô? Hai trăm đô-la. Đúng, hai-trăm.

Ba gã Nhật và bài toán ánh sáng mà cả thế giới bó tay

Năm 2014, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho ba nhà khoa học Nhật Bản: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura — "vì phát minh ra diode phát quang xanh lam hiệu suất cao, cho phép tạo nguồn sáng trắng tiết kiệm năng lượng."

Nghe khô khan? Để tôi dịch.

Bạn biết đèn LED chứ? Cái đèn nhỏ xíu, sáng choang, nguội lạnh, tốn ít điện. Từ năm 1962, Nick Holonyak Jr. đã chế ra LED đỏ. LED xanh lá theo sau không lâu. Nhưng thiếu MỘT MÀU: xanh dương.

Mà thiếu xanh dương thì sao? Thì không trộn được ánh sáng trắng. Giống như bạn có sơn đỏ và sơn vàng nhưng thiếu sơn xanh — đời nào pha được đầy đủ bảng màu. Không có LED xanh nghĩa là không có đèn LED trắng, không có cách mạng chiếu sáng, không có màn hình smartphone. Cái điện thoại bạn đang cầm suýt nữa chỉ là giấc mơ trên giấy.

Tại sao xanh dương lại khó đến vậy?

Đây mới là chỗ tôi nổi da gà.

LED hoạt động bằng chất bán dẫn — mỗi loại vật liệu phát ra một bước sóng ánh sáng khác nhau, tức một màu khác nhau. Ánh sáng xanh dương có bước sóng ngắn, năng lượng cao, nên cần vật liệu bán dẫn có khoảng cách vùng cấm rộng. Ứng viên hàng đầu là gallium nitride (GaN). Vấn đề? Nuôi tinh thể GaN chất lượng cao gần như bất khả thi vào thời điểm đó. Nó giống cố đúc một viên kim cương hoàn hảo từ cát bụi — lý thuyết thì ai cũng biết, nhưng làm thì không ai xong.

Hầu hết phòng thí nghiệm bỏ GaN, quay sang kẽm selenide (ZnSe) dễ xử lý hơn. Rồi cũng tắc luôn.

Akasaki và Amano ở Đại học Nagoya thì khác. Hai thầy trò cứ khư khư bám GaN suốt nhiều năm trời khi cả giới học thuật chê họ cố chấp. Và cuối thập niên 1980, họ tìm ra cách nuôi tinh thể GaN chất lượng cao trên nền sapphire. Năm 1989, lần đầu tiên trong lịch sử, họ tạo được GaN loại p — bước mấu chốt để LED hoạt động — bằng kỹ thuật chiếu chùm electron năng lượng thấp (LEEBI) lên GaN pha tạp magiê. Công trình đã được công bố trên Japanese Journal of Applied Physics cùng năm.

Cách đó hàng trăm ki-lô-mét, Shuji Nakamura tại công ty Nichia — một hãng hóa chất nhỏ ở tỉnh Tokushima chuyên làm bột huỳnh quang — đang một mình xây lại cả hệ thống từ đầu. Ông bay sang Đại học Florida học kỹ thuật lắng đọng pha hơi kim loại hữu cơ (MOCVD), rồi về tự thiết kế một lò phản ứng MOCVD hai dòng khí — thiết kế mà không sách giáo khoa nào có. Hàng nghìn thí nghiệm. Hàng nghìn lần thất bại.

Năm 1993-1994, Nakamura công bố LED xanh dương độ sáng cao đầu tiên trên thế giới, dùng indium gallium nitride (InGaN), trên tạp chí Applied Physics Letters. Thế giới bán dẫn sững sờ. Một gã kỹ sư cô đơn ở công ty không tên tuổi vừa làm được điều mà MIT, Stanford, Philips và RCA đều bó tay.

Phần kịch tính nhất? Nichia thưởng cho Nakamura đúng 20.000 yên — khoảng 200 đô. Ông kiện công ty, tòa sơ thẩm tuyên thắng 20 tỷ yên, cuối cùng hòa giải ở khoảng 8 triệu đô. Rồi ông rời Nhật, sang Đại học California Santa Barbara, nơi ông nghiên cứu cho đến ngày cầm tượng Nobel.

Bạn đang chạm vào phát minh này mỗi ngày

Đừng nghĩ LED xanh là chuyện phòng thí nghiệm. Nó ở NGAY ĐÂY:

Mọi bóng đèn LED trong nhà bạn. Bóng LED trắng hoạt động bằng chip LED xanh phủ lớp phosphor chuyển đổi quang. Không có LED xanh thì không có đèn LED trắng — chấm hết. Dạo một vòng Điện Máy Xanh hay Nguyễn Kim, gần như 100% bóng đèn bán ra bây giờ là LED.

Màn hình điện thoại, laptop, TV. Mỗi pixel xanh dương trên OLED của iPhone hay Samsung Galaxy là hậu duệ trực tiếp của GaN. Màn LCD thì dùng đèn nền LED xanh. Bạn đọc bài này bằng ánh sáng xanh.

Đèn giao thông. Phần lớn đèn giao thông ở Hà Nội, TP.HCM giờ đã chuyển sang LED — bền hơn, sáng hơn, tốn ít điện hơn bóng sợi đốt cũ gấp nhiều lần.

Trồng rau trong nhà. Đèn LED nông nghiệp dùng phổ xanh-đỏ chuyên dụng kích thích quang hợp. Ở Đà Lạt và nhiều vùng, các trang trại thủy canh đã chuyển hẳn sang LED. Cây lớn nhanh hơn, chủ vườn kiểm soát được từng bước sóng ánh sáng.

Khử trùng nước. LED tử ngoại (UV-LED) — công nghệ phát triển từ nền tảng GaN — đang thay thế dần đèn thủy ngân trong hệ thống lọc nước. Nhỏ hơn, sạch hơn, không chứa thủy ngân độc hại.

Ánh sáng xanh mở ra túi tiền nào?

Thị trường LED toàn cầu ước đạt khoảng 75-80 tỷ USD vào giữa thập niên 2020 (Grand View Research, 2023). Và nó vẫn tăng — đặc biệt ở mảng LED nông nghiệp, LED y tế, và micro-LED cho màn hình thế hệ mới. Ở Việt Nam, thị trường chiếu sáng LED tăng mạnh khi chính phủ đẩy mạnh tiết kiệm năng lượng, các doanh nghiệp nội địa như Rạng Đông, Điện Quang đang đầu tư lớn.

Một kỹ năng đáng đầu tư ngay: quang học ứng dụng (applied optics). Người hiểu cách ánh sáng tương tác với vật liệu đang được săn đón trong ngành LED, ngành màn hình, và cả ngành ô tô — đèn pha LED adaptive trên VinFast hay Toyota không tự thiết kế được đâu.

Thắp sáng cho hàng trăm triệu người — và cái giá của ánh sáng không ngủ

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), chiếu sáng chiếm khoảng 15% lượng điện tiêu thụ toàn cầu. Đèn LED đã được chứng minh tiêu thụ ít hơn 75% so với bóng sợi đốt (Bộ Năng lượng Mỹ — DOE). Nếu toàn bộ thế giới chuyển sang LED, lượng điện tiết kiệm tương đương sản lượng hàng trăm nhà máy nhiệt điện. Con số đó không nhỏ khi nhân loại đang vật lộn với biến đổi khí hậu.

Ở nhiều vùng nông thôn Đông Nam Á và châu Phi, nơi lưới điện yếu hoặc chưa có, đèn LED chạy pin mặt trời đã mang ánh sáng đến cho hàng triệu gia đình. Một tấm pin nhỏ cộng một bóng LED — đủ để đứa trẻ học bài ban đêm thay vì ngồi trong bóng tối hay hít khói đèn dầu. Tổ chức Lighting Global (thuộc World Bank) ghi nhận hơn 150 triệu sản phẩm chiếu sáng năng lượng mặt trời đã được phân phối ở các quốc gia đang phát triển tính đến năm 2022.

Nhưng — và đây là phần tỉnh táo — ánh sáng xanh cũng có mặt trái. Nghiên cứu về ảnh hưởng của ánh sáng xanh cường độ cao đến nhịp sinh học (circadian rhythm) đang được quan tâm nghiêm túc. Hiệp hội Y khoa Mỹ (AMA, 2016) đã khuyến cáo giảm ánh sáng xanh vào ban đêm ở cả đèn đường lẫn thiết bị cá nhân. Ô nhiễm ánh sáng từ LED cũng đang ảnh hưởng hệ sinh thái — côn trùng bị thu hút đến chết, chim di cư mất phương hướng, rùa biển con bò nhầm hướng.

Phát minh nào cũng có hai mặt. LED xanh cho chúng ta ánh sáng rẻ, sạch, bền. Nhưng nó cũng tạo ra những thành phố không bao giờ tắt đèn, những màn hình không bao giờ buông tha đôi mắt. Dùng khôn hay dùng dại — phần đó thuộc về mỗi chúng ta, không thuộc về Nakamura hay Akasaki.

Bảng tự chấm & nguồn tham khảo

Nguồn tham khảo:

1. Nobel Prize Committee, "Scientific Background: Efficient Blue Light-Emitting Diodes Leading to Bright and Energy-Saving White Light Sources," Kungl. Vetenskapsakademien, 2014.

2. Amano, H., Kito, M., Hiramatsu, K. & Akasaki, I., "P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation (LEEBI)," Japanese Journal of Applied Physics, 28, L2112, 1989.

3. Nakamura, S., Mukai, T. & Senoh, M., "Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes," Applied Physics Letters, vol. 64, 1687, 1994.

4. U.S. Department of Energy (DOE), "LED Lighting Facts," energy.gov.

5. International Energy Agency (IEA), "Lighting — Energy Efficiency Tracking Report."

6. Grand View Research, "LED Lighting Market Size, Share & Trends Analysis Report," 2023.

7. Lighting Global / World Bank Group, "Off-Grid Solar Market Trends Report," 2022.

8. American Medical Association (AMA), "Community Guidance to Reduce Harmful Effects of High Intensity Street Lighting," 2016.