2014 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：他們創(chuàng)造了光

紅色與綠色發(fā)光二極管已經(jīng)伴隨我們超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，但我們還需要藍(lán)光的到來(lái)才能徹底革新整個(gè)照明技術(shù)領(lǐng)域，因?yàn)橹挥型暾牟捎眉t、綠、藍(lán)三原色之后，我們才能產(chǎn)生照亮我們世界的白色光源

LED將閃耀21 世紀(jì)

“他們以一種最理想的方式重新創(chuàng)造了光”。2014 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)專家委員會(huì)的主席、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)教授皮爾·德?tīng)栃粒≒er Delsing）在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)說(shuō)。

愛(ài)迪生的白熾燈照亮了20 世紀(jì)，而21 世紀(jì)將閃耀在LED 之下。

2014 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予日本名古屋大學(xué)的赤崎勇，天野浩以及美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他們?cè)诎l(fā)明一種新型高效節(jié)能光源方面的貢獻(xiàn)，即藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）。根據(jù)阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑：諾貝爾獎(jiǎng)授予那些對(duì)全人類的福祉作出重大貢獻(xiàn)的成就，通過(guò)藍(lán)色LED 技術(shù)的應(yīng)用，人類可以使用一種全新的手段產(chǎn)生白色光源。相比舊式的燈具，LED 燈具有更加持久且高效的優(yōu)點(diǎn)。

紅色與綠色發(fā)光二極管已經(jīng)伴隨我們超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，但我們還需要藍(lán)光的到來(lái)才能徹底革新整個(gè)照明技術(shù)領(lǐng)域，因?yàn)橹挥型暾牟捎眉t、綠、藍(lán)三原色之后，我們才能產(chǎn)生照亮我們世界的白色光源。盡管工業(yè)界和學(xué)界付出了巨大的努力，但產(chǎn)生藍(lán)色光源的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然持續(xù)了超過(guò)30年之久。

當(dāng)時(shí)，赤崎勇和天野浩在日本名古屋大學(xué)工作，而中村修二當(dāng)時(shí)則在位于四國(guó)島上的德島市內(nèi)一家名為“日亞化學(xué)”（NichiaChemicals） 的小公司工作。當(dāng)他們通過(guò)半導(dǎo)體產(chǎn)生出藍(lán)色光源時(shí)，照明技術(shù)革命的大門打開(kāi)了。白熾燈照亮了整個(gè)20 世紀(jì)，而21 世紀(jì)將是LED 燈的時(shí)代。

電能直接轉(zhuǎn)換為光子

一個(gè)發(fā)光二極管由數(shù)層半導(dǎo)體材料構(gòu)成。在LED 燈中，電能被直接轉(zhuǎn)換為光子，這大大提升了發(fā)光的效能，因?yàn)樵谄渌麩艟呒夹g(shù)中，電能首先是被轉(zhuǎn)化為熱，只有很小一部分轉(zhuǎn)化成了光。白熾燈和鹵鎢燈一樣，電流被用于加熱一根燈絲，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。 在日光燈管中（ 此前這種燈泡曾經(jīng)被稱為低耗能燈泡，但隨著LED 燈技術(shù)的出現(xiàn)，這一名稱失去了意義），氣體進(jìn)行放電，在此過(guò)程中同時(shí)發(fā)熱并發(fā)光。

因此，新型的LED 燈相比舊式的燈具，實(shí)現(xiàn)相同發(fā)光效率所消耗的能源就要低得多。另外，LED 技術(shù)目前仍在不斷被改進(jìn)，其發(fā)光效率還在不斷提升。最新的記錄已經(jīng)突破了300 流明/ 瓦，而一般的燈泡這一指標(biāo)是16，日光燈則是70。考慮到目前全球有大約1/4 的電力用于照明目的，高效節(jié)能的LED 燈技術(shù)對(duì)于全球的節(jié)能工作具有重大意義。

LED 技術(shù)與手機(jī)、電腦，以及所有其他基于量子現(xiàn)象原理的現(xiàn)代技術(shù)一樣，源于同樣的工程技術(shù)手段。一根發(fā)光二極管內(nèi)包括幾個(gè)分層：n 層帶有多余負(fù)電荷，p層則電子數(shù)不足，你也可以將其理解為這里存在多余的帶有正電的空洞，或“正電穴”。

在它們之間是一層活動(dòng)層，當(dāng)向半導(dǎo)體施加一個(gè)電壓，就會(huì)驅(qū)動(dòng)帶負(fù)電的電子層與正電穴層之間的相互作用。當(dāng)電子與正電穴相遇，兩者就會(huì)結(jié)合并產(chǎn)生光線。這一過(guò)程產(chǎn)生光線的波長(zhǎng)完全取決于半導(dǎo)體的性質(zhì)。藍(lán)光波長(zhǎng)很短，只有某些特定材料可以產(chǎn)生這一波長(zhǎng)的光線。

諾獎(jiǎng)得主

赤崎勇現(xiàn)年85 歲，1964 年獲名古屋大學(xué)博士學(xué)位，1981 年起任名古屋大學(xué)教授，現(xiàn)為日本名城大學(xué)終身教授、名古屋大學(xué)特聘教授。54 歲的天野浩與赤崎勇是師生關(guān)系，現(xiàn)為日本名城大學(xué)教授。

赤崎勇和天野浩在氮化鎵研究中，首次實(shí)現(xiàn)了氮化鎵的PN 結(jié)，為利用氮化鎵材料制造藍(lán)色發(fā)光二極管奠定了基礎(chǔ)。2009 年11月10 日，赤崎勇獲得2009 年度京都獎(jiǎng)尖端技術(shù)領(lǐng)域的獎(jiǎng)項(xiàng)。京都獎(jiǎng)自1985 年始設(shè)立，面向尖端技術(shù)、基礎(chǔ)科學(xué)、思想和藝術(shù)3 大領(lǐng)域，其得主中有數(shù)位又將諾貝爾獎(jiǎng)收入囊中。

60 歲的中村修二為藍(lán)光二極管和青紫光二極管的發(fā)明者，被稱為“藍(lán)光之父”。中村修二于1979 年獲德島大學(xué)電子工程碩士學(xué)位，并于同年加入日亞化學(xué)。他于1993 年發(fā)明藍(lán)光二極管，1997 年開(kāi)發(fā)出青紫光二極管，1999 年離開(kāi)日亞公司，其后任教于美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校。中村修二與日亞公司后因?qū)＠麊?wèn)題發(fā)生訴訟糾紛，曠日持久的官司也讓他廣為人知。

“2006 年，藍(lán)光發(fā)光二極管就拿下了千年技術(shù)獎(jiǎng)， 獲得100 萬(wàn)歐元的獎(jiǎng)金”，中國(guó)科學(xué)院物理所研究員丁洪說(shuō)，“千年技術(shù)獎(jiǎng)”是迄今世界上頒發(fā)的獎(jiǎng)金數(shù)額最高的科技獎(jiǎng)，每?jī)赡觐C發(fā)一次，以表彰在科研或發(fā)明領(lǐng)域作出重大成就的個(gè)人或研究小組。

主要從事氮化鎵基藍(lán)、綠光系列高質(zhì)量LED 研發(fā)和生產(chǎn)的武漢華燦光電股份有限公司，其總裁劉榕博士曾經(jīng)與天野浩的團(tuán)隊(duì)有過(guò)合作。在劉榕看來(lái)，天野浩和赤崎勇兩人最重要的工作，就是在1990 年前后，發(fā)現(xiàn)了P 型摻雜氮化鎵材料，解決了藍(lán)光LED 的P 極材料的導(dǎo)電問(wèn)題，否則藍(lán)色的LED 做不出來(lái)。中村修二過(guò)去是做熒光粉的日亞公司的工程師，1992 年左右，在赤崎勇和天野浩的結(jié)果出來(lái)后，用更簡(jiǎn)便的方法實(shí)現(xiàn)了P 型摻雜，后來(lái)應(yīng)邀去美國(guó)做教授。

“他們幾乎是在同一時(shí)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并最終取得成果，接著又互相提高對(duì)方的實(shí)驗(yàn)成果”。皮爾·德?tīng)栃两淌谡f(shuō)。

藍(lán)光的意義

LED研發(fā)的歷史已經(jīng)很長(zhǎng)，紅光二極管最早誕生于20 世紀(jì)70 年代。綠光二極管也已存在多年。眾所周知，紅色、綠色和藍(lán)色三色疊加就會(huì)得到白色的光，這個(gè)道理牛頓早在1671 年就告訴了我們。然而，藍(lán)光二極管的研發(fā)卻困難重重，這曾被認(rèn)為是二十世紀(jì)不可能完成的任務(wù)。

而藍(lán)光LED 的出現(xiàn)，正在改變照明工業(yè)的歷史。劉榕介紹，白光LED 既節(jié)電又環(huán)保，耗電量比常規(guī)的白熾燈節(jié)省90%，比熒光燈節(jié)省30%～40%，而且不含汞，是綠色環(huán)保的理想新光源。最近的一次紀(jì)錄達(dá)到300 流明/ 瓦，這相當(dāng)于16 個(gè)普通燈泡、近70 個(gè)熒光燈。這是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)上給出的一組數(shù)據(jù)?！袄碚撋希恳淮文銓⒁粋€(gè)電子放進(jìn)一個(gè)空穴（holes）里，就能得到一點(diǎn)光。而LED 光源就在接近這個(gè)目標(biāo)。接下來(lái)很難找到比這更好的方法?！逼枴さ?tīng)栃两淌谡f(shuō)，提高還會(huì)有，可能是一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步，但絕不會(huì)十倍于它，已經(jīng)沒(méi)有那種空間了。

現(xiàn)在天野浩教授仍然在做紫外LED 的研究。劉榕博士說(shuō)，現(xiàn)在照明上的科學(xué)問(wèn)題已經(jīng)基本上解決了，只是工程上的改進(jìn)，紫外LED 的效率還要提高，因?yàn)閺乃{(lán)光到深紫外光，要求材料中的氮化鋁比例越來(lái)越高，這使得P 型材料導(dǎo)電性越來(lái)越差，器件的效率難以提高。值得一提的是，高效的紫外光LED 技術(shù)將對(duì)便捷安全的細(xì)菌消殺設(shè)備提供重要的基礎(chǔ)。endprint