藍(lán)光二極管為何獲得諾貝爾獎(jiǎng)？

唐·林肯++寇曉明

2014年10月7日，瑞典科學(xué)院的成員們開(kāi)會(huì)決定將諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予誰(shuí)。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)通常把諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予非常重大的發(fā)現(xiàn)，比如預(yù)測(cè)希格斯玻色子、觀測(cè)到宇宙加速膨脹。因此，很多人驚訝于2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予一項(xiàng)實(shí)用的發(fā)明：藍(lán)光二極管。然而，物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)授予赤崎勇、天野浩和中村修二恰如其分。

技術(shù)成就

發(fā)光二極管是基礎(chǔ)量子科學(xué)的諸多實(shí)用分支之一。在標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)的圖景中，電子沿著環(huán)繞原子中心的軌道運(yùn)行，有點(diǎn)兒像繞日行星（行星模型并不完全準(zhǔn)確，但是其很多特性貼切地展示了量子世界的景象）。根據(jù)量子理論，電子可以在一系列分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，就像是一顆行星可以在水星或金星或任何其他的太陽(yáng)系行星的軌道上圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，但不能運(yùn)行于這些軌道之間。

距離原子核近的電子能量低，距離遠(yuǎn)的能量高。當(dāng)電子從高能量的軌道躍遷到低能量的軌道時(shí)，會(huì)以光的形式釋放能量。發(fā)光的顏色取決于新舊兩條軌道的能量差。能量差越大，光越偏藍(lán)色。

經(jīng)過(guò)些許改動(dòng)，這些基本的想法也適用于多原子的系統(tǒng)，例如分子和固體材料。這就給我們帶來(lái)了發(fā)光二極管。要制成一個(gè)發(fā)光二極管，你要結(jié)合兩種不同的半導(dǎo)體，一種有多余的電子（n 型半導(dǎo)體），另一種有多余的空穴存放電子（p型半導(dǎo)體）。在二極管兩端加上合適的電壓，電子會(huì)發(fā)生移動(dòng)并和空穴復(fù)合，釋放能量。早期的二極管只釋放很少的能量，即放出紅外線。為了使二極管發(fā)出可見(jiàn)光，科學(xué)家必須增大能量差（即能隙——譯者注）。到了20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家已經(jīng)知道了如何通過(guò)選擇合適的半導(dǎo)體材料或是巧妙地?fù)饺肫渌镔|(zhì)來(lái)產(chǎn)生明亮的紅光、黃光和綠光。

可是，需要非常大的能隙才能產(chǎn)生的藍(lán)光卻讓科學(xué)家頗費(fèi)了一番功夫。 終于，1994年， 當(dāng)時(shí)正在日亞化工公司工作的中村修二用氮化銦鎵（InGaN）開(kāi)發(fā)出了高亮度的藍(lán)色發(fā)光二極管。氮化銦鎵是氮化鎵和氮化銦的混合。他通過(guò)控制銦的含量來(lái)調(diào)節(jié)能隙大小從而讓二極管產(chǎn)生藍(lán)光。

中村修二并不是第一位嘗試用氮化鎵來(lái)制作發(fā)光二極管的科學(xué)家，可是那時(shí)候大部分固體物理學(xué)家都已轉(zhuǎn)向別的材料。這是因?yàn)?，首先，沒(méi)有人知道如何制出能生成氮化鎵晶體的襯底，其次，沒(méi)人知道怎樣長(zhǎng)出p 型的氮化鎵層。赤崎勇和天野浩證實(shí)了可以用藍(lán)寶石作襯底并最終生長(zhǎng)出p 型的材料。他們還意外地發(fā)現(xiàn)掃描電鏡能增強(qiáng)發(fā)光二極管的光亮度。

中村修二制備了自己的氮化鎵并且發(fā)明了一個(gè)更簡(jiǎn)單的、用加熱產(chǎn)生p 型層的方法。他還是第一位解釋了為什么電子束能增強(qiáng)發(fā)光二極管亮度的科學(xué)家：電子束減少了氫原子，正如他發(fā)明的加熱方法一樣。

現(xiàn)代藍(lán)光二極管的制造使用了一套更復(fù)雜的方法，包括改變銦和鎵的含量，其基本原理和中村修二當(dāng)初所用的是一樣的。用藍(lán)寶石做襯底，交替生長(zhǎng)一系列氮化鎵層，有些摻了銦，另外的則摻了鋁。這些添加的元素是提高藍(lán)光二極管亮度和效率的關(guān)鍵。更進(jìn)一步，摻鋁使制造更藍(lán)的藍(lán)光二極管甚至紫外線發(fā)光二極管成為可能。

對(duì)人類的巨大貢獻(xiàn)

要搞清楚為什么這項(xiàng)看上去普通的研發(fā)能得到諾貝爾獎(jiǎng)的認(rèn)可，就要回到阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑，正是這份遺囑提供了獎(jiǎng)項(xiàng)的初始資金，并以他的名字命名。在諾貝爾的兄弟過(guò)世后，一家法國(guó)報(bào)紙錯(cuò)登了阿爾弗雷德的訃告。讓阿爾弗雷德·諾貝爾感到驚恐的是，他被稱為“死亡商人”和一個(gè)“通過(guò)發(fā)現(xiàn)如何更快更多地殺戮而發(fā)財(cái)”的人。他決心修補(bǔ)身后的名聲，遺贈(zèng)一項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，授予“那些為人類做出卓越貢獻(xiàn)的人”。諾貝爾想讓世人銘記他曾經(jīng)努力把世界變得更美好。

2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)纤倪z愿?！拔艺J(rèn)為阿爾弗雷德·諾貝爾會(huì)對(duì)本次評(píng)獎(jiǎng)感到高興，”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)的負(fù)責(zé)人皮爾·德?tīng)栃猎谛极@獎(jiǎng)名單時(shí)說(shuō)道，“這是一項(xiàng)真正的發(fā)明，而且它的確讓大部分人都受益了?！?/p>

藍(lán)光二極管的發(fā)明促成了全新的產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在，藍(lán)色、紅色和綠色發(fā)光二極管被一起用來(lái)產(chǎn)生白光，或是任何其他顏色的光。基于這些成就，節(jié)能屏幕被應(yīng)用在手機(jī)、電視、電腦、iPad 以及許多其他現(xiàn)代電子奇跡上。

藍(lán)光二極管的影響可不限于我們這些彩虹一樣色彩斑斕的用品。如今，發(fā)光二極管的亮度已經(jīng)強(qiáng)到可以作為光源。正如愛(ài)迪生的白熾燈在20世紀(jì)初造就的變革，發(fā)光二極管必將革命性地改變21世紀(jì)。

現(xiàn)代發(fā)光二極管能夠用更少的能量產(chǎn)生比白熾燈或熒光燈更高的亮度。例如，一個(gè)白熾燈泡能用1瓦電產(chǎn)生16流明的亮度，熒光燈為70流明，而現(xiàn)代發(fā)光二極管能產(chǎn)生300流明的亮度，意味著它只消耗白熾燈5%的電能就能產(chǎn)生和白熾燈相同的亮度。全世界的電力大約有1/4被用來(lái)照明，所以節(jié)能燈的發(fā)明對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境有著深遠(yuǎn)的影響，而且還有可能減少造成全球變暖的溫室氣體的排放。在發(fā)展中國(guó)家，明亮高效的發(fā)光二極管能為家庭、醫(yī)院等提供基于太陽(yáng)能的、遠(yuǎn)離電網(wǎng)的能源。

2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)為人類做出卓越貢獻(xiàn)的發(fā)現(xiàn)與研究，傳承了阿爾弗雷德·諾貝爾的遺愿。