藍光二極管為何獲得諾貝爾獎？

唐·林肯++寇曉明

2014年10月7日，瑞典科學院的成員們開會決定將諾貝爾物理學獎授予誰。諾貝爾獎委員會通常把諾貝爾物理學獎授予非常重大的發現，比如預測希格斯玻色子、觀測到宇宙加速膨脹。因此，很多人驚訝于2014年的諾貝爾物理學獎被授予一項實用的發明：藍光二極管。然而，物理學諾貝爾獎授予赤崎勇、天野浩和中村修二恰如其分。

技術成就

發光二極管是基礎量子科學的諸多實用分支之一。在標準的量子力學的圖景中，電子沿著環繞原子中心的軌道運行，有點兒像繞日行星（行星模型并不完全準確，但是其很多特性貼切地展示了量子世界的景象）。根據量子理論，電子可以在一系列分立的軌道上運動，就像是一顆行星可以在水星或金星或任何其他的太陽系行星的軌道上圍繞太陽運行，但不能運行于這些軌道之間。

距離原子核近的電子能量低，距離遠的能量高。當電子從高能量的軌道躍遷到低能量的軌道時，會以光的形式釋放能量。發光的顏色取決于新舊兩條軌道的能量差。能量差越大，光越偏藍色。

經過些許改動，這些基本的想法也適用于多原子的系統，例如分子和固體材料。這就給我們帶來了發光二極管。要制成一個發光二極管，你要結合兩種不同的半導體，一種有多余的電子（n 型半導體），另一種有多余的空穴存放電子（p型半導體）。在二極管兩端加上合適的電壓，電子會發生移動并和空穴復合，釋放能量。早期的二極管只釋放很少的能量，即放出紅外線。為了使二極管發出可見光，科學家必須增大能量差（即能隙——譯者注）。到了20世紀70年代初，科學家已經知道了如何通過選擇合適的半導體材料或是巧妙地摻入其他物質來產生明亮的紅光、黃光和綠光。

可是，需要非常大的能隙才能產生的藍光卻讓科學家頗費了一番功夫。 終于，1994年， 當時正在日亞化工公司工作的中村修二用氮化銦鎵（InGaN）開發出了高亮度的藍色發光二極管。氮化銦鎵是氮化鎵和氮化銦的混合。他通過控制銦的含量來調節能隙大小從而讓二極管產生藍光。

中村修二并不是第一位嘗試用氮化鎵來制作發光二極管的科學家，可是那時候大部分固體物理學家都已轉向別的材料。這是因為，首先，沒有人知道如何制出能生成氮化鎵晶體的襯底，其次，沒人知道怎樣長出p 型的氮化鎵層。赤崎勇和天野浩證實了可以用藍寶石作襯底并最終生長出p 型的材料。他們還意外地發現掃描電鏡能增強發光二極管的光亮度。

中村修二制備了自己的氮化鎵并且發明了一個更簡單的、用加熱產生p 型層的方法。他還是第一位解釋了為什么電子束能增強發光二極管亮度的科學家：電子束減少了氫原子，正如他發明的加熱方法一樣。

現代藍光二極管的制造使用了一套更復雜的方法，包括改變銦和鎵的含量，其基本原理和中村修二當初所用的是一樣的。用藍寶石做襯底，交替生長一系列氮化鎵層，有些摻了銦，另外的則摻了鋁。這些添加的元素是提高藍光二極管亮度和效率的關鍵。更進一步，摻鋁使制造更藍的藍光二極管甚至紫外線發光二極管成為可能。

對人類的巨大貢獻

要搞清楚為什么這項看上去普通的研發能得到諾貝爾獎的認可，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項的初始資金，并以他的名字命名。在諾貝爾的兄弟過世后，一家法國報紙錯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“通過發現如何更快更多地殺戮而發財”的人。他決心修補身后的名聲，遺贈一項獎勵，授予“那些為人類做出卓越貢獻的人”。諾貝爾想讓世人銘記他曾經努力把世界變得更美好。

2014年的諾貝爾物理學獎正符合他的遺愿。“我認為阿爾弗雷德·諾貝爾會對本次評獎感到高興，”諾貝爾物理學獎委員會的負責人皮爾·德爾辛在宣布獲獎名單時說道，“這是一項真正的發明，而且它的確讓大部分人都受益了。”

藍光二極管的發明促成了全新的產業。現在，藍色、紅色和綠色發光二極管被一起用來產生白光，或是任何其他顏色的光。基于這些成就，節能屏幕被應用在手機、電視、電腦、iPad 以及許多其他現代電子奇跡上。

藍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，發光二極管的亮度已經強到可以作為光源。正如愛迪生的白熾燈在20世紀初造就的變革，發光二極管必將革命性地改變21世紀。

現代發光二極管能夠用更少的能量產生比白熾燈或熒光燈更高的亮度。例如，一個白熾燈泡能用1瓦電產生16流明的亮度，熒光燈為70流明，而現代發光二極管能產生300流明的亮度，意味著它只消耗白熾燈5%的電能就能產生和白熾燈相同的亮度。全世界的電力大約有1/4被用來照明，所以節能燈的發明對經濟和環境有著深遠的影響，而且還有可能減少造成全球變暖的溫室氣體的排放。在發展中國家，明亮高效的發光二極管能為家庭、醫院等提供基于太陽能的、遠離電網的能源。

2014年的諾貝爾物理學獎獎勵為人類做出卓越貢獻的發現與研究，傳承了阿爾弗雷德·諾貝爾的遺愿。