藍光LED為何能獲得今年諾貝爾獎？

　　10月7日下午，瑞典皇家科學院宣布，將2014年諾貝爾物理學獎聯(lián)合授予日本科學家的赤崎勇(IsamuAkasaki)，天野浩(HiroshiAmano)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(ShujiNakamura)，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。

　　昨天，當赤崎勇、天野浩和中村修二獲得諾貝爾物理學獎的消息一公布，復(fù)旦大學信息學院院長鄭立榮教授第一時間向中村修二教授發(fā)出了祝賀。“中村修二是復(fù)旦大學顧問教授，信息學院國際學術(shù)委員會委員，他在2010年參加我們學院國際評估時，就建議我們要加強光電照明方面的研究。”正在波士頓訪學的鄭立榮說：“中村教授獲獎最大的特點，是他腳踏學術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩地，執(zhí)著地把理論用技術(shù)走通，從而實現(xiàn)應(yīng)用，這恐怕是他得獎的最大的理由。”

　　英國劍橋大學教授科林·漢弗瑞爵士(SirColinHumphreys)指出：“這是一項巨大的成就，赤崎勇，天野浩和中村修二當之無愧。他們發(fā)明的藍光LED技術(shù)為研發(fā)明亮而節(jié)能的燈具，更高效的照明技術(shù)鋪平了道路。”

　　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。他們也因此與該獎項自1901年頒發(fā)以來獲獎的共196名德高望重的學者一同被銘記在那長長的榜單之上。

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

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

　　不是發(fā)現(xiàn)，是影響人類的發(fā)明

　　“藍光LED雖然聽上去并不是那么玄乎或者高大上，但卻是可以對人類社會產(chǎn)生很大影響的成果。”上海交通大學物理系教授季向東表示。

　　紅色和綠色二極管已經(jīng)存在了很長時間，但要產(chǎn)生白光，卻需要紅、藍、綠三原色同時起作用。原來的二極管因為發(fā)光能量太低，所以只能發(fā)出紅光和綠光，而藍光意味著需要發(fā)出更高能量的光。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(shè)想，僅僅在提出這一設(shè)想三年后，中村修二便在《應(yīng)用物理快報》上發(fā)表了生平第一篇英文文章：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)表便轟動了世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界和科學界——當時世界上很多大公司和著名大學科研機構(gòu)都在為半導(dǎo)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(dǎo)體材料中最具有希望的寬禁帶光學材料。

　　隨后，赤崎勇、中村修二、天野浩的研究使得人類得以進入一場光源的革命。“正如他們所說的，這不是一個發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(yīng)用的推廣成為可能。”中科院上海技術(shù)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無法實現(xiàn)自己的研究意圖，不得不選擇放棄。

　　這也是為什么，當昨天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時，中村修二足足愣了半分鐘才反應(yīng)過來。后來當問他有什么感想時，他停頓了好久連說了幾個“是”，然后只說了一句“簡直太難以相信了”。據(jù)了解，三位科學家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。據(jù)介紹，現(xiàn)在全世界電力消費的四分之一用于照明，而更高效的LED燈有助于節(jié)約地球資源。

　　另辟蹊徑走別人不走的路

　　在諾貝爾官網(wǎng)上，可以看到對三位獲獎人的描述——“當赤崎勇和天野浩、中村修二12月初參加諾貝爾頒獎委員會的慶典時，他們應(yīng)該會注意到斯德哥爾摩街頭的那些燈光，用的就是他們發(fā)明的節(jié)能LED白光路燈。紅光和綠光二極管已經(jīng)伴隨我們半個世紀了，但藍光才是真正帶來革命性變化的技術(shù)。只有這三原色的燈光才能形成白光，照亮我們的世界。這三位學者在學術(shù)研究和工業(yè)界的持續(xù)努力，解決了這個過去30多年來一直存在的難題……

　　“他們得獎不在于他們在理論上的突破，而在于他們在材料技術(shù)和器件制備上的突破。”復(fù)旦大學長期從事光器件研究的陳良堯教授說：“中村修二當年在公司里研究藍光二極管，自己親手改造MOCVD長膜，對長膜機理了解很深入;別人做出來的GaN薄膜質(zhì)量很差，很多人都放棄了，他做出來的就好，最后一點點地獲得成功。這不能不說是他的一種技術(shù)上的突破。”

　　事實上，很多科學家都知道氮化鎵，物理學上關(guān)于這種材料的能帶結(jié)構(gòu)、PN導(dǎo)電類型調(diào)控以及發(fā)光特性，都有大量的理論和實驗上的成果，真正讓人頭疼的是，要實現(xiàn)這種材料的器件化，必須使基板材料和氮化鎵晶格匹配。當時很多科學家都跟風去開發(fā)新半導(dǎo)體材料，正如中村修二后來打趣說，因為大公司的研發(fā)力量把新材料開發(fā)的山頭都占滿了，他只有另辟蹊徑走別人不走的路。

　　物理學獎近年更青睞應(yīng)用研究

　　當物理學還被很多人認為是玄乎得無法理解的各種粒子時，諾貝爾物理學獎近年來已經(jīng)不再只頒發(fā)給那些對人類對世界認知產(chǎn)生重大影響的基礎(chǔ)研究，而是越來越多地頒發(fā)給了那些有實用價值的物理學的發(fā)現(xiàn)。

　　此前，已有海外學者認為藍光半導(dǎo)體發(fā)光二極管是今年最可能獲獎的主題。因為諾獎近年來越來越青睞有應(yīng)用前景、對人類產(chǎn)生很大影響的科研成果。

　　在2000年，諾貝爾物理學獎的兩位獲得者之一是電氣工程師杰克·基爾比，他因為在集成電路發(fā)明的重要貢獻而獲獎。集成電路的發(fā)明，顯然給人類社會帶來了很大影響，這是物理學獎首次頒給應(yīng)用性研究成果。這也被認為是一個信號，即物理學獎不單單是獎勵給那些基礎(chǔ)研究的，諾貝爾委員會也開始意識到一些能夠在人類社會帶來巨大應(yīng)用和影響的成果是非常重要的。

　　進入21世紀以來，雖然大多數(shù)物理學獎都是頒給基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)的，但2009年的物理學獎卻是頒發(fā)給兩個實用性的主題——一個是光纖電纜，另一個則是電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。

　　通過產(chǎn)業(yè)化推廣照明新技術(shù)

　　中村修二在短短四年時間克服了兩個重大材料制備工藝難題，一個是高質(zhì)量氮化鎵薄膜的生長，另一個是氮化鎵空穴導(dǎo)電的調(diào)控。為了前者，他通過多達500次的試驗，終于在普通藍寶石基片上獲得高電子遷移率的氮化鎵薄膜。而后一個問題，則是因為他發(fā)現(xiàn)只要控制工藝中的氫氣濃度就可以大規(guī)模地得到藍色二極管材料。1994年4月，當中村修二在美國舊金山舉辦的春季材料會議上打開他發(fā)明的藍色激光器那一瞬間，整個會議廳的科學家們?nèi)缤『⒖礋熁鹨话?，不斷發(fā)出贊嘆的聲音。

　　據(jù)悉，中村修二和上海不少機構(gòu)都有合作關(guān)系，他除了在復(fù)旦大學擔任教育部先進照明技術(shù)工程研究中心的顧問，還在上海的不少機構(gòu)都擔任了顧問，定期進行學術(shù)交流。至今他除了在圣塔芭芭拉分校任職以外，還運行著一個科技公司，通過產(chǎn)業(yè)化來推廣一些照明新技術(shù)。

　　中村修二發(fā)明的氮化鎵發(fā)光二極管對人類的貢獻顯而易見：藍光LED出現(xiàn)后，可以通過磷激發(fā)出紅光和綠光，從而混合產(chǎn)生白光和其他各種顏色的光。或者與原有的紅光LED和綠光LED一起產(chǎn)生白光和其他各種顏色的光。藍光LED也有另外的應(yīng)用，比如，藍光光盤，從藍光LED發(fā)展出的紫外LED也可以高效凈化生活用水;光纖通信的傳輸效率得到提高;超長使用壽命和高電光轉(zhuǎn)換效率的全固態(tài)白光光源將極大促進綠色能源開發(fā)進程。

　　獲獎原因

　　三位獲獎?wù)咴诎l(fā)現(xiàn)新型高效、環(huán)境友好型光源，即藍色發(fā)光二極管(LED)方面做出巨大貢獻。在藍光LED的幫助下，白光可以以新的方式被創(chuàng)造出來。使用LED燈，我們可以擁有更持久和更高效的燈光代替原來的光源。

　　因為今年的諾貝爾物理學獎，人們在制造節(jié)能光源方面進入了“自由之境”。雖然這三位科學家因為發(fā)明藍色發(fā)光二極管(LED)獲得諾獎讓人大跌眼鏡，但正是因為這一發(fā)明，人類可以制造出任何想要的LED光——藍色發(fā)光二極管不僅使得白光可以以一種新的方式創(chuàng)造出來，而且因為藍光二極管的出現(xiàn)，人們還可以補齊三原色，使得人類能夠制造的LED光源的光譜范圍更廣，可說是進入自由的境界。

　　令人關(guān)注的，是這一獲獎項目傳遞的信息：諾貝爾物理學獎近年來似乎日益青睞那些可以給人類生活帶來巨大改變的應(yīng)用性研究。