Isamu Akasaki de l'Université de Meijo (Japon), Hiroshi Amano de l'Université de Nagoya (Japon) et Shuji Nakamura de l'Université de Californie (États-Unis) viennent de gagner le Prix Nobel 2014 de physique pour «l'invention de diodes électro-luminescentes bleues efficaces qui ont permis le développement de sources de lumière blanches brillantes et économiques»! Mais qu'est-ce qu'il y a de si spécial avec ces diodes électro-luminescentes bleues?!

Bonjour à vous! Ça fait un petit moment que je n'ai pas eu le temps d'écrire de billet mais les réactions de certains au Prix Nobel de physique 2014 m'ont motivé à écrire un petit quelque chose. Pourquoi? Parce que beaucoup questionnent l'utilité et le caractère révolutionnaire des diodes électro-luminescentes (DEL) bleues... Pour justifier tout ça, il faut déjà comprendre comment fonctionne une DEL pour ensuite saisir le bond technologique qu'elle représente!

Toute lampe fonctionne en convertissant une partie du courant électrique en lumière. Une lampe traditionnelle utilise le courant pour chauffer un filament de tungstène. Une grosse partie de l'énergie est convertie en chaleur et une autre partie est convertie en lumière. Le fonctionnement d'une DEL se base quant à elle sur la physique des semi-conducteurs . Pour commencer, il faut donc bien comprendre ce qu'est un semi-conducteur, par exemple, ce qui le distingue d'un métal (bon conducteur électrique) et d'un isolant (mauvais conducteur électrique).

(Si vous voulez moins de détails, vous pouvez vous permettre de sauter la première partie tout en jetant un coup d'oeil à la vidéo associée à ce billet ou carrément sauter à la dernière partie du billet qui n'explicite pas le fonctionnement d'une DEL mais qui parle des aspects plus pratiques de la chose.) ;-)

La différence entre un métal, un isolant et un semi-conducteur: une histoire de bandes...

Les semi-conducteurs sont des matériaux qui, bien qu'isolants au départ, ont la particularité de pouvoir conduire du courant électrique dès qu'on y injecte une quantité d'énergie relativement faible. À quoi bon cela peut-il servir? On peut par exemple les utiliser pour créer des transistors (découverts en 1947, Prix Nobel en 1956) qui agissent comme de minuscules interrupteurs électriques qui ont l'avantage d'être extrêmement rapides! C'est grâce à ça qu'a pu se développer toute l'électronique que vous connaissez aujourd'hui: ordinateurs, téléphones et j'en passe! Je vous conseille fortement cette superbe vidéo de la chaîne Youtube Veritasium qui explique le fonctionnement d'un transistor. (Pour ceux qui n'aimeraient pas la langue de Shakespeare, j'ai personnellement écrit les sous-titres français de la vidéo alors gâtez-vous!) :-)

Essayons de comprendre pourquoi un semi-conducteur conduit l'électricité dès qu'on y injecte une quantité d'énergie relativement faible. La vidéo associée à ce billet, tirée de l'excellent site de vulgarisation Tout Est Quantique devrait vous aider à tout comprendre. Le sujet est néanmoins assez complexe donc je vais faire de mon mieux, promis! (Pour les connaisseurs, je vais parler ici de la théorie des bandes, une théorie quantique développée en 1928 durant la thèse de Félix Bloch, Prix Nobel de physique 1952).

Dans un solide, les électrons n'ont pas accès à toutes les énergies possibles. Au lieu de ça, l'énergie des électrons va obligatoirement se trouver au sein de certains intervalles appelés bandes d'énergie et ne pourra pas se trouver dans certains intervalles appelés bandes interdites. Quand on s'intéresse à la conduction du courant, seules 2 de ces bandes importent vraiment: la bande de valence (la bande du bas dans la vidéo) et la bande de conduction (la bande du haut dans la vidéo), ces deux bandes étant séparées par une bande interdite. C'est alors entre ces deux bandes que toute la magie opère! (Mmmmh.......que toute la science opère!) ;-) Il faut bien comprendre que faire passer du courant électrique revient à exciter des électrons à des énergies supérieures car on met ces électrons en mouvement! Toute la différence entre un métal, un isolant électrique et un semi-conducteur lors du passage d'un courant va donc se jouer sur la facilité que les électrons auront à atteindre ces énergies plus élevées!

Un métal conduit bien le courant car la bande de valence est partiellement remplie. Il est alors très facile d'exciter des électrons aux énergies supérieures qui ne sont pas encore utilisées dans cette bande. Dans un isolant, la bande de valence est complètement remplie! Si on veut faire passer du courant électrique là-dedans, il faut donc que les électrons acquièrent assez d'énergie pour franchir la bande interdite et accéder aux énergies disponibles dans la bande de valence. Et là, c'est le drame! Pourquoi? Parce que cette bande d'énergie est souvent tellement grande que l'énergie nécessaire pour la franchir finit par faire fondre littéralement le matériau! Il devient donc impossible d'y faire passer le moindre courant électrique... Un semi-conducteur est en fait un cas particulier d'isolant où la bande d'énergie interdite est relativement petite. Il devient donc possible de la franchir avec assez peu d'énergie. C'est ce que j'entendais précédemment en disant que les semi-conducteurs avaient «la particularité de pouvoir conduire du courant électrique dès qu'on y injecte une quantité d'énergie relativement faible»!

Le lien quantique entre la lumière et les électrons dans un semi-conducteur!

Bon, il serait peut-être temps de parler de lumière quand même! Je vous rassure, le plus dur est passé! On vient de voir que dans un semi-conducteur, il est assez facile d'exciter des électrons à des énergies supérieures en franchissant une barrière d'énergie relativement faible. C'est là qu'arrive la lumière! En effet, lorsque ces électrons sont excités, il vont finir par se désexciter (reprendre leur énergie de départ, sous la barrière d'énergie) tandis que d'autres électrons les remplaceront au-dessus de la barrière d'énergie (pour que le courant continue à passer). À chaque fois, qu'un électron se désexcite, il faut que l'énergie qu'il a acquise précédemment devienne quelque chose d'autre, elle ne peut pas juste disparaître! Une petite partie de cette énergie devient de la chaleur tandis que tout le reste se transforme en lumière: on obtient alors une DEL!

La couleur de la lumière émise va alors dépendre de la taille de la barrière d'énergie qui a été franchie (soit l'énergie que perdent les électrons en se désexcitant). Plus la barrière d'énergie est grande, plus la couleur de la lumière émise va virer vers le bleu! (La couleur bleue est plus énergétique que la couleur rouge, pensez à la base d'une flamme, plus chaude que le reste de la flamme, qui est bleue.) Un très beau moyen de constater cela est dans cette vidéo Youtube. Dans cette vidéo, on plonge une DEL orange dans l'azote liquide à -196°C. Le froid a pour effet d'agrandir la barrière en énergie dans la DEL et on voit que la couleur qu'elle émet va de l'orange au vert en passant par le jaune!

Quand 30 ans de travail acharné donnent naissance à une véritable révolution énergétique!

«Ils ont réussi là où tout le monde avait échoué», voilà ce qu' a souligné le jury du Prix Nobel. Il aura quand même fallu 30 ans à Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura pour créer des DEL bleues et une vingtaine d'années pour être récompensés par le Prix Nobel (ces DEL ont été développées au début des années 90). La difficulté se trouvait dans le fait de trouver un matériau possédant une barrière suffisamment grande pour obtenir de la lumière bleue mais pas trop grande pour ne pas tomber dans l'ultraviolet (à moins d'avoir envie de créer une DEL bronzante).

L'intérêt d'avoir une DEL bleue efficace et économique se trouve dans la possibilité d'avoir accès à une source de lumière blanche efficace et économique! En effet, les diodes rouges et vertes existaient depuis longtemps, mais sans lumière bleue, impossible créer des lampes blanches! En plus d'insister sur la durée de vie incroyable de ces DEL (comparées aux lampes traditionnelles), je vais me permettre de citer la dernière partie du texte suivant qui met déjà très bien en valeur l'aspect révolutionnaire des DEL:

«Aujourd’hui, les LED sont constamment améliorées, devenant de plus en plus efficaces tout en consommant de moins en moins d’énergie. Selon le jury, le record d’une telle lampe est d’un peu plus de 300 lumen (une unité utilisée pour le flux lumineux) par watt. Par comparaison, pour une lampe normale on est à 16 lumens par watt et pour une lampe fluorescente à 70 lumens par watt. Alors que pour obtenir 1200 lumens (un bon éclairage dans un séjour) il fallait une ampoule classique de 75 watts, aujourd'hui une ampoule LED de 6 watts peut suffire, ce qui diminue considérablement la consommation. Par ailleurs, une LED a une durée de vie pouvant aller jusqu’à 100 000 heures, comparé à 1000 pour une lampe à incandescence classique, et 10 000 pour un tube fluorescent (néon).

Un quart de la consommation d’électricité dans le monde est utilisée à des fins d’éclairage, précise le jury dans son communiqué. Ce prix Nobel récompense ainsi à la fois une avancée scientifique, mais également une invention bénéfique pour l’humanité.

Cette technologie est aujourd'hui omniprésente dans notre quotidien. Par exemple, elle est essentielle dans les téléphones portables, pour lesquels l'éclairage de l'écran est une contrainte énergétique forte. On la retrouve aussi dans les téléviseurs, les lecteurs Blu-ray et les flashs d'appareils photo, et bien entendu dans de plus en plus de bureaux et logements.»

Je pense honnêtement que ce Prix Nobel de physique est un des prix qui collent le plus à la définition initiale du Prix Nobel, c'est-à-dire qu'il récompense une découverte qui rend service à l'humanité dans une mesure peu commune en science. J'avoue que je m'attendais à un Prix Nobel plus conceptuel comme le Prix Nobel 2012 en optique quantique ou le Prix Nobel 2013 pour le boson de Higgs, mais la vue de ce Prix Nobel 2014 m'a vraiment fait l'effet d'une bouffée d'air pur et nous rappelle à tous que la science finit toujours par donner naissance à des avancées technologiques incroyables!

La science est une source de progrès sans pareille. J'espère juste que le climat économique et politique défavorable pour la science que connaissent de nombreux pays à travers le monde ne la freinera pas trop... ;-)

Bien à vous,

Alexis

NB: Cette vidéo très sympa de la chaîne Youtube Minute Physics explique succinctement le fonctionnement de plusieurs types de lampes, dont les DEL. (Vous y entendrez parler d'une jonction p-n que seuls les connaisseurs.....connaîtront mais le fonctionnement plus simpliste que j'explique dans ce billet est quand même valide.) :-)