2014年诺贝尔物理学奖 ——白光中的一抹蓝
蓝光 LED——用新光源照亮世界
赤崎勇、天野浩和中村修二因发明了一种新型节能且环保的光源——蓝色发光二极管（LED）而获奖。秉承阿尔弗雷德·诺贝尔的精神，该奖项授予对人类作出最大贡献的发明；通过使用蓝色LED，可以以一种全新的方式产生白光。随着 LED 灯的出现，我们现在拥有了比旧光源更持久、更高效的替代品。
当赤崎、天野和中村于 12 月初抵达斯德哥尔摩参加诺贝尔奖颁奖典礼时，他们几乎不可能不注意到他们发明的光芒在这座城市的几乎每一扇窗户中闪耀。白色 LED 灯节能、持久，并发出明亮的白光。此外，与荧光灯不同，它们不含汞。
红色和绿色发光二极管已经伴随我们近半个世纪，但要真正彻底改变照明技术，还需要蓝光。只有红、绿、蓝三原色才能产生照亮我们世界的白光。尽管研究界和工业界投入了巨大的努力和高昂的代价，蓝光在三十年来一直是一个挑战。
赤崎在名古屋大学与天野合作，而中村则受雇于日亚化学工业株式会社，这是一家位于四国岛德岛市的小公司。当他们从半导体中获得明亮的蓝色光束时，照明技术根本性变革的大门就此打开。白炽灯泡照亮了 20 世纪；21 世纪将由 LED 灯照亮。
节约能源和资源
发光二极管由多层半导体材料组成。在 LED 中，电能直接转换为光粒子（光子），与其他光源相比，这带来了效率的提升，因为其他光源的大部分电能都转化为热量，只有一小部分转化为光。在白炽灯泡和卤素灯中，电流用于加热灯丝，使其发光。在荧光灯（以前被称为节能灯，但随着 LED 灯的出现，这个标签已经失去了意义）中，气体放电同时产生热量和光。
因此，与旧光源相比，新型 LED 发出光所需能量更少。此外，它们不断改进，每单位输入电功率（以瓦特为单位）的光通量（以流明为单位）越来越高。最新的记录略高于 300 流明/瓦，而普通灯泡为 16 流明/瓦，荧光灯接近70流明/瓦。由于世界电力消耗中约有四分之一用于照明，高能效的 LED 有助于节约地球资源。
LED 的心脏。发光二极管由几层半导体材料组成。电压驱动电子从 n 型层和空穴从 p 型层移动到有源层，在那里它们复合并发光。光的波长完全取决于所使用的半导体材料。LED 并不比一粒沙子大。
蓝色 LED 灯。该灯中的发光二极管由几种不同的氮化镓（GaN）层组成。通过混合铟（In）和铝（Al），获奖者成功提高了灯的效率。
发光二极管——LED 的原理（左上）和一个蓝色LED灯的例子。
LED 也比其他灯更持久。白炽灯泡通常持续 1,000 小时，因为热量会破坏灯丝，而荧光灯通常持续约 10,000 小时。LED可以持续 100,000 小时，从而大大减少了材料消耗。
在半导体中创造光
LED 技术起源于为我们带来手机、计算机以及所有基于量子现象的现代电子设备的同一工程艺术。发光二极管由几层组成：一层是带有过量负电子的n型层，另一层是电子不足的p型层，也称为带有过量正空穴的层。
它们之间是有源层，当向半导体施加电压时，负电子和正空穴被驱动到该层。当电子和空穴相遇时，它们复合产生光。光的波长完全取决于半导体；蓝光出现在彩虹的短波末端，只能在某些材料中产生。
关于半导体发光的首次报道是由古列尔莫·马可尼（1909 年诺贝尔奖得主）的同事亨利·J·朗德于 1907 年撰写的。后来，在 20 世纪 20 年代和 30 年代，苏联的奥列格·V·洛谢夫对发光进行了更深入的研究。然而，朗德和洛谢夫缺乏真正理解这一现象的知识。直到几十年后，才为这种所谓的电致发光理论描述创造了先决条件。
红色发光二极管发明于 20 世纪 50 年代末。它们被用于数字手表和计算器，或作为各种电器的开关状态指示器。在早期阶段，很明显需要一种短波长、由高能光子组成的发光二极管——蓝色二极管——来创造白光。许多实验室进行了尝试，但都没有成功。
挑战传统
获奖者挑战了既定的真理；他们努力工作并承担了相当大的风险。他们自己建造设备，学习技术，并进行了数千次实验。大多数时候他们失败了，但他们没有绝望；这是最高水平的实验室艺术。
氮化镓是赤崎、天野和中村共同选择的材料，他们最终成功了，尽管之前其他人已经失败。早期，这种材料被认为适合产生蓝光，但实际困难被证明是巨大的。没有人能够生长出足够高质量的氮化镓晶体，因为试图生产合适的表面来生长氮化镓晶体被视为一种无望的努力。此外，在这种材料中制造 p 型层几乎是不可能的。
尽管如此，赤崎凭借过去的经验确信材料的选择是正确的，并继续与当时是名古屋大学博士生的天野合作。日亚的中村也选择了氮化镓，而不是其他人认为更有前途的替代材料硒化锌。
要有光
1986 年，赤崎和天野首次成功地在蓝宝石衬底上放置一层氮化铝，然后在其上生长高质量的氮化镓，从而创造出高质量的氮化镓晶体。几年后，在 20 世纪 80 年代末，他们在制造 p 型层方面取得了突破。赤崎和天野偶然发现，当在扫描电子显微镜下研究他们的材料时，材料发光更强烈。这表明来自显微镜的电子束使p型层更有效。1992 年，他们能够展示出第一个发出明亮蓝光的二极管。
中村于 1988 年开始开发他的蓝色 LED。两年后，他也成功创造了高质量的氮化镓。他找到了自己聪明的晶体制造方法，首先在低温下生长一层薄薄的氮化镓，然后在较高温度下生长后续层。
中村还可以解释为什么赤崎和天野成功制造了 p 型层：电子束去除了阻止 p 型层形成的氢。就中村而言，他用一种更简单、更便宜的方法取代了电子束：通过加热材料，他在 1992 年成功制造了功能性 p 型层。因此，中村的解决方案与赤崎和天野的不同。
在 20 世纪 90 年代，两个研究小组都成功进一步改进了他们的蓝色 LED，使其更高效。他们使用铝或铟制造了不同的氮化镓合金，LED 的结构变得越来越复杂。
赤崎与天野以及中村还发明了一种蓝色激光器，其中一粒沙子大小的蓝色 LED 是关键组件。与 LED 的散射光相反，蓝色激光器发射出锐利的光束。由于蓝光波长非常短，它可以被更紧密地打包；使用蓝光，同一区域可以存储比红外光多四倍的信息。这种存储容量的增加迅速导致了播放时间更长的蓝光光盘以及更好的激光打印机的开发。
许多家用电器也配备了 LED。它们为电视机、电脑和手机中的 LCD 屏幕提供照明，同时也为这些设备提供灯和相机闪光灯。
一场照明的革命
获奖者的发明彻底改变了照明技术领域。新的、更高效、更便宜、更智能的灯具不断被开发出来。白光 LED 可以通过两种不同的方式制造。一种方法是使用蓝光激发荧光粉，使其发出红光和绿光。当所有颜色聚集在一起时，就产生了白光。另一种方法是构造由红、绿、蓝三种 LED 组成的灯，让眼睛来完成将三种颜色组合成白色工作。
因此，LED 灯是灵活的光源，在照明领域已有多种应用——可以产生数百万种不同的颜色；颜色和强度可以根据需要进行变化。数百平方米大小的彩色光板可以闪烁、改变颜色和图案。一切都可以由计算机控制。控制光颜色的可能性也意味着 LED 灯可以复制自然光的交替并遵循我们的生物钟。使用人工光进行温室种植已经成为现实。
LED 灯在提高目前无法接入电网的超过 15 亿人的生活质量方面也展现出巨大前景，因为低功率需求意味着该灯可以由廉价的本地太阳能供电。此外，污染的水可以使用紫外线 LED 进行消毒，这是蓝色LED的后续发展。
高效蓝色 LED 的发明只有二十年历史，但它已经为以全新方式创造白光做出了贡献，造福了我们所有人。
斯德哥尔摩自行车道的明亮白色标志。
获奖者简介
赤崎勇
日本公民。1929 年出生于日本知览。1964 年获日本名古屋大学博士学位。日本名古屋名城大学教授，名古屋大学特聘教授。
https://en.nagoya-u.ac.jp/research/distinguished-faculty/isamu_akasaki/
天野浩
日本公民。1960 年出生于日本滨松。1989 年获日本名古屋大学博士学位。日本名古屋大学教授。
https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100014894_ja.html?k=天野浩
美国公民。1954 年出生于日本伊方。1994 年获日本德岛大学博士学位。美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校教授。
官网链接，赤崎勇论文链接，天野浩论文链接，中村修二论文链接。
2014年诺贝尔物理学奖：白光中的一抹蓝
选自《三联生活周刊》2014 年第 42 期 作者：苗千
人类开始使用 LED 照明，只有短短的 20 年，其中蓝光 LED 的发明最为困难且至关重要。这是一个关于人类固态物理学和半导体制造技术发展历经了几十年的故事。
2014 年 10 月 7 日，瑞典皇家科学院将本年度的诺贝尔物理学奖授予两位日本科学家和一位美籍日裔科学家，他们分别是来自日本名城大学和名古屋大学的赤崎勇（Isamu Akasaki）、名古屋大学的天野浩（Hiroshi Amano）和来自美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二（Shuji Nakamura），以表彰他们在 20 世纪 90 年代研究出能够发射出蓝光的发光二极管（LED），在很大程度上改善了人类的生活。
2013 年度的诺贝尔物理学奖授予了两位预测希格斯玻色子存在的理论物理学家，因此很多人猜测，2014 年的物理学奖可能会授予实验物理学家。但是本届物理学奖是关于一项如此“日常”的发明，还是让很多人意想不到，甚至认为其“格调”不高。实际上，奖励一项对于人类生活有重大改善的发明，正是阿尔弗来德・诺贝尔当年设立诺贝尔物理学奖的本意。而关于 LED，尤其是蓝光 LED 的发明，被认为无足轻重，恰恰是因为这项发明已经迅速普及到人类社会的千家万户。人类开始使用 LED 照明，只有短短的 20 年时间，而 LED 能够发出白光，其中蓝光 LED 的发明最为困难且至关重要。这是一个关于人类固态物理学和半导体制造技术发展历经了几十年的故事。
尽管当时还没有最基本的固态物理学理论，人类早在 20 世纪初，就开始了给半导体材料施加电压，令其发光的实验。在 1907 年，马可尼电子公司（Marconi Electronics）的一位工程师就曾经给碳化硅（SiC）晶体施加微弱的电压，令其发出了黄光，而当增大电压时，更多颜色的光被激发出来。这种现象正是利用了半导体材料的能带隙，当半导体材料中的电子受到电压的驱动与材料中的空穴结合，就会发出能量大约相当于这种材料能带隙的光子，如果这个能量恰好在人类的可见光范围内，就会被人所感知，这就是LED的雏形。
随着固态物理学的逐渐建立，人类在 20 世纪 40 年代开始逐渐理解半导体中的 p-n 结，开始意识到它可以成为一种新型的光源器件，不同的半导体材料可以发出不同颜色的光（光的颜色取决于光的波长，这与被激发的光子的能量相关）。于是很多科学家投入到 LED 光源的研究中，开始寻找能带隙在人类可见光能量范围内的半导体材料。砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）等材料首先被用来实验。科学家们发现，在半导体晶体中掺入其他材料可以改变它的性质，发出不同颜色的光。1962 年，红光（能量相对较低）LED 首先被发明出来。
在 20 世纪 60 年代，随着人类对固态物理学理解的深入和半导体晶体制造水平的不断提高，从红外线到绿色光的LED都已经被开发了出来。各种红色、黄色，或是绿色的 LED 灯可以起到很好的装饰效果，但是人类仍然没有白色的 LED 光，就是因为此时还缺少蓝光 LED。早在 1671 年人类就理解了白光的组成，想要得到白光，必须混合起红光、绿光和蓝光。而（光子能量相对较高的）蓝光的缺席让越来越多的科学家们开始投入到 LED 研究中，蓝光 LED 成为 LED 光源发明中最重要也是最后的一环，得到它，就可以得到白光 LED。
这最后一步，竟然困扰了人类 30 年。研制蓝光 LED，最大的困难就在于半导体材料的选择和制备。选择哪一种材料，以及是否有能力制造出这种高质量的半导体晶体，是当时很多科学家共同面对的难题。硒化锌（ZnSe）、碳化硅（SiC）等材料都曾经作为候选者，氮化镓（GaN）也曾经被寄予厚望，曾经有很多实验室都试图用这种材料进行实验，飞利浦实验室还曾经为此申请过一项氮化镓材料的专利，但是问题在于当时的条件下，科学家们很难制造出高质量的氮化镓晶体，只能制造出一些氮化镓粉末，根本无法在其中制造 p-n 结。
20 世纪 70 年代，分子束外延（MBE）技术出现，科学家们终于能够以此制造出高质量的晶体。赤崎勇从20世纪60年代就开始了蓝光 LED 的研究，并且从 1974 年开始就执著于氮化镓晶体的生长问题。在 1986 年，他终于和当时的博士研究生天野浩一起利用 MOVPE 技术制造出了品质优秀的氮化镓晶体，为之后发明蓝光 LED 奠定了基础。之后两年，当时还在日本德岛的一家小公司里独自进行研究的中村修二也成功制造出高质量的氮化镓晶体。这种氮化镓晶体可以让科学家们进行LED实验，同时因为其拥有光滑的表面，科学家们还可以以此制造出半导体的多层结构。在 1995 至 1996 年间，两个小组都成功制造出了蓝光LED。这三位科学家在其他人失败的地方成功，这项持续了30多年的研究其成果因此意义重大，通过蓝光 LED 照射荧光体，就会激发出红光和绿光，三种颜色的光混合起来，人类终于拥有了白光 LED。
拥有白光 LED，意味着人类拥有了一种新的照明手段，相比于其他照明方式，LED 的优势都非常明显，所以诺贝尔委员会评价道：“白炽灯点亮了20世纪，而 LED 灯点亮了 21 世纪。”人类大约有1/4的电能被用作照明，而使用同样的能量，LED所能产生的光是荧光灯的 4 倍、白炽灯的 20 倍，LED 灯的普及，可以为人类节约大量的能量。同时，LED 灯的寿命可以长达 10 万个小时，相比之下，荧光灯的寿命只有 1000 个小时，白炽灯的寿命也只有 1 万个小时，使用不含水银的长寿命 LED 灯，也可以节省出很多材料。同时，因为LED灯耗能极少，可以直接利用太阳能供电，这也为全世界多达 15 亿还没有被电网覆盖的人解决了照明问题。 LED 还可能有更为广泛的用途，也有可能使用紫外线 LED 对水资源进行消毒。这几位科学家还发明了蓝色激光，因为相比之下这种激光的波长更短，因此可以存储更多的信息。在同样的面积上，蓝色激光可以存储 4 倍于红外线的信息，这使人们可以制造出更为清晰的蓝光 DVD 和更优秀的激光打印机。
蓝光 LED 的发明，正因为如此重要，而又如此之快地普及全球，让人们不大记得其中的发明艰辛。在现代社会，无论是桌上的台灯，还是电视，手机的屏幕，LED 已经成为现代人生活的一部分。物理学的研究既可以带我们探索宇宙最深处的奥秘，又可以改变每一个人的生活，把这两种看似截然不同的影响展现出来，可能也正是诺贝尔奖最大的意义。
发布时间：2014/10/30 7:22:24 阅读次数：8150