藍光LED為何能獲2014年諾貝爾獎？

黎宇寶

瑞典皇家科學院將2014年諾貝爾物理學獎聯合授予赤崎勇、天野浩、中村修二，以表彰他們發(fā)明了藍色發(fā)光二極管（LED）。在頒獎詞中，諾貝爾獎委員會寫道：“白熾燈照亮20世紀，而LED燈將照亮21世紀?！?/p>

10月7日，瑞典皇家科學院宣布，決定將2014年諾貝爾物理學獎聯合授予日本科學家的赤崎勇、天野浩以及美國加州大學圣巴巴拉分校的美籍日裔科學家中村修二，以表彰他們在發(fā)明一種新型高效節(jié)能光源方面的貢獻，即藍色發(fā)光二極管（LED），為能源節(jié)省開拓了新空間。

“照亮世界的新光”

在藍光LED誕生之前，紅光和綠光LED問世已久。但由于缺少藍光LED，可用于照明的白色LED燈無法被制造出來。赤崎勇、天野浩以及中村修二的發(fā)明解決了這一難題，使得用LED燈替代耗能更大的白熾燈成為可能。

“藍光LED雖然聽上去并不是那么玄乎或者高深莫測，卻對人類社會產生很大影響?！鄙虾＝煌ù髮W物理系教授季向東表示說。

上世紀80年代末，赤崎勇和天野浩在名古屋大學合作研究，而當時中村修二只是德島縣一家化學公司的雇員。他提出制備氮化鎵藍光發(fā)光二極管的設想，僅僅在這一設想提出的三年后，中村修二便在《應用物理快報》上發(fā)表了生平第一篇英文論文：一種用于生長氮化鎵新穎的金屬有機物化學氣相沉積法。論文一發(fā)表就轟動了世界半導體產業(yè)界和科學界，當時全世界有很多大公司和著名大學科研機構都在為半導體藍光光源薄膜材料的制備工藝頭痛不已，而氮化鎵正是III-V族半導體材料中最具有希望的寬禁帶光學材料。

此后，赤崎勇、中村修二、天野浩的研究使得人們得以進入一場前所未有的光源革命。“正如他們所說的，這不是一個發(fā)現，而是一個發(fā)明。這需要在材料和器件上有重大突破，走通從理論到應用的路。正是因為這三位學者從不同的方面進行了突破，使得LED照明應用的推廣成為可能?！敝锌圃荷虾＜夹g物理所所長陸衛(wèi)稱，還有很多學者和這三位學者同期在從事藍光二極管的研究，但都因為無法在材料和器件制造工藝上取得突破而難以實現自己的研究意圖，不得不選擇放棄。

這也是為什么當諾貝爾獎頒獎委員會接通中村修二的電話，告訴他獲得今年的諾貝爾物理學獎的消息時，中村修二足足愣了半分鐘才反應過來，只說了一句“簡直太難以相信了”。據了解，三位科學家目前正在不斷完善自己的成果，以得到更高效的光通量。最新的紀錄是300流明/瓦，相當于16個普通燈泡和接近70個熒光燈。

“藍光LED出現的最重要意義，便是使得白光可以被順利造出來，帶來明亮、節(jié)能的白色光源。這個發(fā)明，可謂點亮了全世界的新型光源，它與傳統(tǒng)光源相比有更加持久高效節(jié)能等優(yōu)勢。”諾貝爾委員會主席皮爾·德爾辛教授如是說。

LED照明無法媲美的優(yōu)勢

雖然藍光LED僅僅被發(fā)明了20年，但它帶來了一種全新的白光生產方式，全人類都因此受益。我們單單從LED照明的優(yōu)勢來看看它為人類帶來的“福祉”。

作為綠色節(jié)能光源的代表，LED照明比白熾燈、節(jié)能燈有著更顯著的優(yōu)勢。

首先，節(jié)約能源。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可達80～90%，其耗電量不到白熾燈的十分之一。一般人認為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5已經是偉大的創(chuàng)舉，但LED日光燈比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是固體光源讓人難以置信的跨越。據介紹，如果國內三分之一的照明替換成LED照明，每年可節(jié)約3000億度電，相當于一個三峽工程的發(fā)電量。

除此之外，LED還具有其他顯著優(yōu)勢，例如基本無輻射、綠色環(huán)保。我們現在普遍使用的節(jié)能燈，在生產過程中都要添加汞蒸汽。如果玻璃外殼打碎，會造成污染。因此，報廢的燈管不能隨意丟棄，需要專門回收處理。而LED照明就沒有這種后顧之憂，被稱為“綠色能源”。且相比熒光燈光源，LED光源所用的熒光粉相對減少了很多，這在一定程度上節(jié)約了地球上的稀土能源。

此外，LED照明還具有使用壽命長、響應速度快、體積小、重量輕等多重優(yōu)勢。正因為LED照明具有以上其他固體光源無法匹敵的特點，有人預測，LED照明在不遠的將來將成為照明行業(yè)的主流光源。

由于全世界有1/4的電力被用于照明用途，更加節(jié)能高效的燈具在全球壓縮二氧化碳排放的大背景下也具有愈發(fā)重要的意義。LED燈還將幫助全球超過15億人告別沒有照明的時代，更低的能耗將讓當地太陽能小型電站電力實現照明成為可能。正因如此，LED很有可能會列為21世紀最有發(fā)展前景的綠色照明光源，目前已經形成一個龐大的產業(yè)。