2014年諾貝爾物理學獎背后的艱辛：藍光LED照亮世界

赤崎勇（Akasaki Isamu）

赤崎勇（Akasaki Isamu），日本國籍，1929年出生在日本知覽町（Chiran，Japan），1964年于日本名古屋大學獲得博士學位?，F(xiàn)為日本名城大學教授、日本名古屋大學特聘教授。

天野浩（Amano Hiroshi）

天野浩（Amano Hiroshi），日本國籍，1960年出生于日本濱松。1989年于日本名古屋大學獲得博士學位，現(xiàn)為日本名古屋大學教授。

中村修二（Nakamura Shuji）

中村修二（Nakamura Shuji），美國國籍，1954年出生于日本伊方町（Ikata，Japan）。1994年于日本德島大學獲得博士學位?，F(xiàn)為美國加州大學圣芭芭拉分校教授。

2014年度諾貝爾物理學獎授予來自三名美國和日本的科學家，以表彰他們發(fā)明了藍光LED技術(shù)。赤崎勇、天野浩以及中村修二在上世紀90年代分別獨立開發(fā)出藍光LED技術(shù)。

將新開發(fā)的藍光LED光源與已有的紅光與綠光LED光源結(jié)合，人們終于可以通過三原色原理產(chǎn)生更加自然和實用的白光照明光源。這三位獲獎人將共同分享800萬瑞典克朗（約合120萬美元）的獎金。

紅色與綠色發(fā)光二極管已經(jīng)伴隨我們超過半個世紀，但我們還需要藍光的到來才能徹底革新整個照明技術(shù)領(lǐng)域，因為只有完整地采用紅、綠、藍三原色之后，才能產(chǎn)生照亮我們世界的白色光源。盡管工業(yè)界和學界付出了巨大的努力，但產(chǎn)生藍色光源的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然持續(xù)了超過30年之久。

當時，赤崎勇和天野浩在日本名古屋大學工作，而中村修二則在位于四國島上的德島市內(nèi)一家名為“日亞化學”的小公司工作。當他們通過半導體產(chǎn)生出藍色光源時，照明技術(shù)革命的大門打開了。白熾燈照亮了整個20世紀，而21世紀將是LED燈的時代。

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），氣體進行放電，在此過程中同時發(fā)熱并發(fā)光。

節(jié)能環(huán)保

一個發(fā)光二極管由數(shù)層半導體材料構(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，因為在其他燈具技術(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，從而實現(xiàn)發(fā)光。

因此，新型的LED燈相比舊式的燈具，實現(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，其發(fā)光效率還在不斷提升。最新的紀錄已經(jīng)突破了300流明/瓦，而一般的燈泡這一指標是16流明/瓦，日光燈則是70流明/瓦?？紤]到目前全球有大約四分之一的電力用于照明，高效節(jié)能的LED燈技術(shù)對于全球的節(jié)能工作具有重大意義。

半導體發(fā)光

LED技術(shù)與手機、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)包括幾個分層：n層帶有多余負電荷，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層，當向半導體施加一個電壓，就會驅(qū)動帶負電的電子層與正電穴層之間的相互作用。當電子與正電穴相遇，兩者就會結(jié)合并產(chǎn)生光線。這一過程產(chǎn)生光線的波長完全取決于半導體的性質(zhì)。藍光波長很短，只有某些特定材料可以產(chǎn)生這一波長的光線。

歷史上最早使用半導體實現(xiàn)發(fā)光的報道見于1907年，由1909年的諾貝爾獎獲得者、無線電與電報發(fā)明者馬可尼的同事亨利·羅德（Henry J. Round）實現(xiàn)。隨后在20世紀20年代和30年代，蘇聯(lián)的奧列格·羅塞夫（Oleg V. Losev）對發(fā)光原理進行了詳盡考察。然而不管是羅德還是羅塞夫，他們都缺乏能真正理解這一現(xiàn)象所需的知識。人們還需要等待數(shù)十年的時間，直到電致發(fā)光原理提出之后，事情才有了真正的進展。

20世紀50年代末，紅色發(fā)光二極管被研制出來。它們被應用在了電子手表以及計算器等設備之中，或是作為各種電子設備的開關(guān)提示器。在這一技術(shù)的發(fā)展初期，人們便已經(jīng)清楚地意識到需要研制一種具有更短波長，因此也具有更高光子能量的二極管，以便實現(xiàn)白色光源。很多實驗室為此進行了努力，但最后都以失敗告終。

直面挑戰(zhàn)

今年的諾貝爾獎獲獎者們決定挑戰(zhàn)這一難題，他們?yōu)榇诉M行了艱苦的工作并承擔巨大的風險。他們自己建造了所需要的設備，學習有關(guān)技術(shù)并進行了數(shù)千次的實驗。大多數(shù)時候他們都失敗了，但這并沒有讓他們喪失信心，這是一個實驗室最寶貴的品質(zhì)。

氮化鎵是赤崎勇、天野浩與中村修二不約而同選定的材料，并最終取得了成功，盡管在此之前所有的人都失敗了。這種材料被認為適合用來產(chǎn)生藍光，但在實際工作中面臨的困難是巨大的。

從來沒有人能夠從氮化鎵晶體中獲得足夠高質(zhì)量的光源，因此，使用這種材料開展實驗簡直就是一種毫無希望的努力。另外，幾乎沒有辦法在這種材料中布置所需要的p層結(jié)構(gòu)。

然而，基于先前所做實驗的結(jié)果，赤崎勇堅信他們對于材料的選擇是沒有錯的，并繼續(xù)與天野浩一同努力工作，后者當時還只是名古屋大學的一名博士研究生。而此時在四國島的中村修二同樣在氮化鎵和硒化鋅兩種備選材料中選擇了前者，盡管當時大多數(shù)人認為后者更有希望取得成功。

要有光！

1986年，赤崎勇和天野浩首次制成高質(zhì)量的氮化鎵晶體，他們所采用的方法是在藍寶石襯底上涂上一層氮化鋁材料，并在上面生長氮化鎵晶體。幾年后，到了20世紀80年代末，他們在創(chuàng)設p層的工作上取得突破性進展。當赤崎勇和天野浩在掃描電鏡下觀察培養(yǎng)出的氮化鎵晶體時，他們無意間注意到在用電鏡觀察時晶體的發(fā)光強度似乎增強了，這說明掃描電鏡產(chǎn)生的電子流能夠提升p層的效率。到了1992年，他們終于制成第一個發(fā)藍光的二極管。

中村修二從1988年開始研制他的藍光LED。兩年之后，他同樣成功制成了高質(zhì)量的氮化鎵晶體。他找到了一套聰明的辦法來制作高質(zhì)量晶體—先在低溫下生長薄薄一層氮化鎵晶體，隨后在稍高的溫度下繼續(xù)進行晶體培養(yǎng)。

中村修二甚至還知道為何赤崎勇和天野浩的p層能夠成功：那是因為電子流去除了阻礙p層形成的氫原子。中村修二采用了一種更簡單、更聰明也更便宜的方法：對材料進行加熱。通過這種方式他在1992年成功制成了具有完善功能的p層。因此，可以看到中村修二采用的技術(shù)方案與赤崎勇和天野浩的方案是不同的。

在20世紀90年代，兩個研究組都在對LED技術(shù)的持續(xù)改進工作中取得很大進展，使該技術(shù)更趨完善。他們研制了不同的氮化鎵合金，摻入了鋁和銦，而LED的結(jié)構(gòu)也變得愈發(fā)復雜精細。赤崎勇、天野浩以及中村修二還發(fā)明了一種藍色激光器，其中的核心部件正是一個沙粒大小的藍光LED組件。但與一般的LED發(fā)散的光不同，藍光激光器發(fā)出銳利的聚焦光束。由于藍光的波長很短，其可以被壓縮到更高的密度，相比紅外光，藍光可以存儲多出4倍的信息。這一技術(shù)很快衍生出了存儲能力更強的藍光光盤以及更高質(zhì)量的激光打印機設備。很多家用電器中同樣采用了LED技術(shù)。比如，電視機、計算機以及手機的LED屏幕，還有無數(shù)的燈具和相機閃光燈。

照明技術(shù)的革命

今年三位諾貝爾獎得主的發(fā)明導致了照明技術(shù)領(lǐng)域的革命。由于他們開發(fā)的技術(shù)，大量更高效、更便宜、更智能的照明設備正在被開發(fā)出來。白光LED可以采用兩種方法制作。一種方式是采用藍光來激發(fā)熒光體，導致后者發(fā)出紅色與綠色光源。當所有色彩光源具備之后便可以得到白光。另一種方式則是直接采用紅、綠、藍三種LED光源同時發(fā)光，讓我們的眼睛自體已將它們合成為白色光。

可見，LED燈是可以非常靈活運用的光源技術(shù)，從中已經(jīng)衍生出數(shù)百萬種不同色彩的光源，根據(jù)需要的不同，你可以合成各式各樣的色彩和亮度。面積達數(shù)百平米的屏幕，閃爍、變換色彩與圖形，而且這一切都可以用計算機進行控制。對光線色彩的控制還意味著LED燈可以模仿自然光源，讓我們的生物鐘能夠更好地適應。而在人工溫室內(nèi)使用人工照明的方法也已經(jīng)成功進行了實踐。

LED照明技術(shù)的出現(xiàn)還將有望為全球多達15億的人送去光明。由于貧困和缺乏電網(wǎng)設施，這些人口無法享受照明設備帶來的便利，但借助LED燈的低能耗，這些人未來將有望使用小型太陽能電站產(chǎn)生的電力實現(xiàn)照明。另外，污染的水體可以使用紫外光LED燈進行消毒，它同樣是藍光LED技術(shù)的衍生品。藍光LED技術(shù)的出現(xiàn)只是短短20年前的事情，但它帶來了白光照明，為整個人類社會創(chuàng)造福祉。