W naszym laboratorium mieliśmy już różne wielokolorowe eksperymenty, ale tego jeszcze nie było, postanowiliśmy zamrozić do temperatury -196 oC pomarańczową diodę LED o mocy 3 watów. Kiedyś już mroziliśmy diody w azocie sprawdzając wpływ niskich temperatur na półprzewodniki. Okazało się, że wtedy diody po prostu powoli gasły. W przypadku diody pomarańczowej sprawa wygląda trochę inaczej. Zobaczcie Państwo sami.
Wszystko za sprawą materiału półprzewodnikowego fosforoarsenku galu GaAsP. Materiał ten wykorzystywany jest właśnie do produkcji diod elektroluminescencyjnych w kolorze żółtym, pomarańczowym i czerwonym. Z materiału tego uformowane jest złącze diody p-n i gdy dioda spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd dochodzi do wzbudzenia atomów. Elektrony powracając do swojego podstawowego stanu oddają nadmiar swojej energii w postaci kwantu promieniowania. Zjawisko to nazywa się promienistą rekombinacją nośników ładunku. W przypadku naszej diody promieniowanie elektromagnetyczne emitowane ze struktury ma długość fali ok. 650 nm co odpowiada barwie pomarańczowej i dotyczy to zakresu temperatur -30 + 120oC jak głosi karta katalogowa.
W naszym laboratorium nigdy nie traktujemy poważnie kart katalogowych :) cały czas stosujemy elementy nie do końca zgodnie z ich przeznaczeniem i czasem wychodzą ciekawe efekty. Naszą świecącą na pomarańczowo diodę za chwilę zanurzymy w ciekłym azocie.
Jeśli będziecie Państwo wykonywać ten eksperyment proszę nie ustawiać dla diody jej maksymalnego prądu, jeśli dioda ma 3 W mocy można spokojnie pompować w nią np. 2,3 W. My niestety w pierwszym eksperymencie zasilaliśmy ją prawie maksymalnym napięciem i wszystko było dobrze dopóki nie wyjęliśmy diody z azotu, zaczęła się rozgrzewać najpierw spokojnie ale później proces ten gwałtownie przyśpieszył i popłynął prąd znacznie większy od nominalnego przez co dioda uległa uszkodzeniu.
Po wprowadzeniu diody do ciekłego azotu oczywiście zaczyna się bardzo gwałtowne wrzenie cieczy bo jak by nie było mamy tu trochę mocy i radiator zdążył się już nagrzać. Im dłużej dioda pracuje w powietrzu tym ciekawszy będzie efekt po wprowadzeniu do azotu, należy też uważać by nawet na takiej zredukowanej mocy nie przegrzać diody bo powinna ona pracować z dodatkowym radiatorem. W każdym bądź razie gdy stopniowo ustaje wrzenie i ciecz zaczyna się uspakajać zaczyna się dziać naprawdę ciekawa i efektowna fizyka.
Pobór prądu zaczyna spadać i oczywiście ilość światła też, ale nie to jest najciekawsze. Dioda stopniowa zmienia barwę, z początkowej pomarańczowej robi się żółta by po całkowitym ochłodzeniu świecić na zielono. Po całkowitym ochłodzeniu nasz zasilacz nie pokazuje już praktycznie żadnego poboru prądu a dioda nadal świeci na zielono, ilość tego światła jest niewielka ale już się nie zmienia pomimo ciągłego zanurzenia w tak zimnej cieczy.
Same zdjęcia nie do końca oddają niesamowity efekt zmiany barwy dlatego przygotowaliśmy dla Państwa film, który można obejrzeć poniżej. Co ciekawe po wyjęciu diody z azotu stopniowo rozgrzewa się ona i przestrajanie odbywa się w drugą stronę. Okazało się, że w przypadku fosforoarsenku galu wraz ze zmniejszaniem jego temperatury długość fali również się zmniejsza by w temperaturze ciekłego azotu osiągnąć długość ok. 580 nm, co odpowiada barwie zielonej.
Proces przestrajania można powtarzać w nieskończoność, no może prawie :), przynajmniej w naszym laboratorium kilkanaście razy schłodziliśmy i ogrzaliśmy diodę i nie zaobserwowaliśmy żadnych niekorzystnych zmian. Sam efekt przestrajania bardziej płynnie i powoli zachodzi w diodach małej mocy ze względu na brak metalowego radiatora. W tej diodzie dochodzi w pewnej chwili do gwałtownego przechłodzenia i zmiana barwy w pewnym momencie jest bardzo szybka.
W naszym przypadku chcieliśmy ten eksperyment pokazać na nocy z nauką i zależało nam na dobrym efekcie, którego nie dało by się osiągnąć z małą diodą. Dla własnych eksperymentów polecam jednak małe diody.
