Trong vòng chưa đầy hai thập kỷ, bóng đèn LED đã lặng lẽ thay thế gần như toàn bộ bóng sợi đốt và huỳnh quang trong nhà ở, đường phố và màn hình khắp thế giới. Nó dùng ít điện hơn tới 80%, bền hơn hàng chục lần, và nhỏ đến mức có thể giấu trong một sợi dây trang trí. Nhưng ít ai biết cuộc cách mạng chiếu sáng này phải chờ đợi hơn nửa thế kỷ, và nút thắt khó nhất của nó nằm ở một màu sắc duy nhất: màu xanh dương. Giải được bài toán LED xanh dương cũng chính là thành tựu được trao giải Nobel Vật lý năm 2014.

Sáu thập kỷ từ một chấm đỏ đến ánh sáng trắng

Hiện tượng vật liệu bán dẫn phát sáng khi có dòng điện chạy qua được ghi nhận từ năm 1907, và nhà khoa học Liên Xô Oleg Losev đã mô tả nó khá kỹ trong thập niên 1920, nhưng không ai biến nó thành sản phẩm. Mãi đến năm 1962, Nick Holonyak Jr. tại hãng General Electric mới chế tạo được LED phát ánh sáng đỏ nhìn thấy được đầu tiên. Những năm sau đó, LED vàng và xanh lá lần lượt xuất hiện — nhưng chúng yếu, chỉ đủ làm đèn báo nhỏ trên máy tính, đồng hồ điện tử và điều khiển từ xa.

Muốn có ánh sáng trắng để thắp sáng phòng, người ta cần đủ ba màu cơ bản, trong đó LED xanh dương là mảnh ghép cứng đầu nhất vì đòi hỏi vật liệu bán dẫn có khoảng năng lượng lớn mà không ai chế tạo hoàn hảo được. Đầu thập niên 1990, Isamu Akasaki và Hiroshi Amano tại Đại học Nagoya, cùng Shuji Nakamura tại hãng Nichia, lần lượt chinh phục tinh thể gallium nitride — và LED xanh dương sáng mạnh ra đời năm 1993–1994. Chỉ cần phủ lên nó một lớp phosphor vàng, thế giới có ngay bóng LED trắng thương mại.

Vì sao một tinh thể nhỏ lại phát sáng

LED là viết tắt của "điốt phát quang". Bên trong nó là một chip bán dẫn gồm hai lớp vật liệu: một lớp thừa electron, một lớp thiếu electron (tức thừa "lỗ trống"). Khi dòng điện chạy qua, electron từ lớp này nhảy sang lấp vào lỗ trống ở lớp kia, và mỗi cú nhảy như vậy nhả ra phần năng lượng thừa dưới dạng một hạt ánh sáng — photon. Màu của ánh sáng phụ thuộc hoàn toàn vào độ lớn của "bước nhảy" năng lượng trong vật liệu: bước nhảy nhỏ cho ánh sáng đỏ, bước nhảy lớn cho ánh sáng xanh dương.

Khác với bóng sợi đốt phải đốt nóng dây tóc lên gần 2.700 độ C và lãng phí tới 90% điện năng thành nhiệt, LED biến điện thành ánh sáng gần như trực tiếp. Đó là lý do cùng một độ sáng, bóng LED chỉ tốn khoảng một phần sáu đến một phần tám lượng điện so với bóng sợi đốt, và tuổi thọ của nó kéo dài 25.000 đến 50.000 giờ thay vì khoảng 1.000 giờ.

Cuộc cách mạng thầm lặng trong từng ngôi nhà

Chiếu sáng chiếm khoảng 15% lượng điện tiêu thụ toàn cầu, nên mỗi phần trăm hiệu suất LED tiết kiệm được đều nhân lên thành con số khổng lồ: ít nhà máy điện hơn, ít khí thải hơn, hóa đơn tiền điện nhẹ hơn cho từng gia đình. Đèn đường LED giúp các thành phố cắt mạnh chi phí vận hành, còn ở những vùng chưa có lưới điện, một bóng LED nhỏ chạy bằng tấm pin mặt trời cầm tay đã thay thế được đèn dầu độc hại cho hàng triệu hộ gia đình.

LED còn mở ra những ứng dụng mà bóng đèn truyền thống không mơ tới: màn hình điện thoại và TV dùng hàng triệu LED li ti, nông nghiệp công nghệ cao dùng đèn LED phổ tùy chỉnh để trồng rau trong nhà, bệnh viện dùng ánh sáng LED trong điều trị và khử trùng. Thứ bắt đầu như một chấm đỏ nhấp nháy trên bảng mạch nay đã trở thành hạ tầng ánh sáng của cả nền văn minh.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Nick Holonyak từng dự đoán ngay từ thập niên 1960 rằng LED sẽ thay thế bóng đèn của Edison — và ông sống đủ lâu để chứng kiến điều đó thành hiện thực ở quy mô toàn cầu.
  • Những chiếc đồng hồ và máy tính bỏ túi thập niên 1970 hiển thị số bằng LED đỏ; chúng ngốn pin đến mức màn hình chỉ sáng lên khi người dùng bấm nút xem giờ.
  • Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã nghiên cứu đèn LED từ thập niên 1990 để trồng cây trên trạm vũ trụ và hỗ trợ chữa lành vết thương cho phi hành gia.
  • Giải Nobel Vật lý 2014 dành cho LED xanh dương được ghi nhận với lời đánh giá rằng bóng LED sẽ là nguồn sáng của thế kỷ 21, như bóng sợi đốt là của thế kỷ 20 và đèn dầu là của thế kỷ 19.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Đèn LED là phát minh mới, xuất hiện cùng thời điện thoại thông minh." Thật ra LED đỏ đã ra đời từ năm 1962, còn hiện tượng phát quang bán dẫn được quan sát từ năm 1907. Cái mới của thế kỷ 21 chỉ là LED trắng giá rẻ cho chiếu sáng gia đình — thành quả của hơn 50 năm chờ đợi một màu xanh dương đủ sáng.

Hiểu lầm: "Đèn LED không tỏa nhiệt nên không cần quan tâm tản nhiệt." LED tỏa ít nhiệt ra phía trước theo chùm sáng, nhưng bản thân chip vẫn sinh nhiệt tại mối nối bán dẫn, và nhiệt này nếu không thoát được sẽ giết chết bóng đèn rất nhanh. Những bóng LED rẻ tiền "chết yểu" phần lớn là vì bộ tản nhiệt và mạch nguồn kém chất lượng, không phải vì chip LED hỏng.

Nguồn tham khảo