2014 諾貝爾物理學獎：他們創造了光

紅色與綠色發光二極管已經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領域，因為只有完整的采用紅、綠、藍三原色之后，我們才能產生照亮我們世界的白色光源

LED將閃耀21 世紀

“他們以一種最理想的方式重新創造了光”。2014 年諾貝爾物理學獎專家委員會的主席、瑞典查爾姆斯理工大學教授皮爾·德爾辛（Per Delsing）在發布會現場說。

愛迪生的白熾燈照亮了20 世紀，而21 世紀將閃耀在LED 之下。

2014 年度諾貝爾物理學獎授予日本名古屋大學的赤崎勇，天野浩以及美國加州大學圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他們在發明一種新型高效節能光源方面的貢獻，即藍色發光二極管（LED）。根據阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑：諾貝爾獎授予那些對全人類的福祉作出重大貢獻的成就，通過藍色LED 技術的應用，人類可以使用一種全新的手段產生白色光源。相比舊式的燈具，LED 燈具有更加持久且高效的優點。

紅色與綠色發光二極管已經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領域，因為只有完整的采用紅、綠、藍三原色之后，我們才能產生照亮我們世界的白色光源。盡管工業界和學界付出了巨大的努力，但產生藍色光源的技術挑戰仍然持續了超過30年之久。

當時，赤崎勇和天野浩在日本名古屋大學工作，而中村修二當時則在位于四國島上的德島市內一家名為“日亞化學”（NichiaChemicals） 的小公司工作。當他們通過半導體產生出藍色光源時，照明技術革命的大門打開了。白熾燈照亮了整個20 世紀，而21 世紀將是LED 燈的時代。

電能直接轉換為光子

一個發光二極管由數層半導體材料構成。在LED 燈中，電能被直接轉換為光子，這大大提升了發光的效能，因為在其他燈具技術中，電能首先是被轉化為熱，只有很小一部分轉化成了光。白熾燈和鹵鎢燈一樣，電流被用于加熱一根燈絲，從而實現發光。 在日光燈管中（ 此前這種燈泡曾經被稱為低耗能燈泡，但隨著LED 燈技術的出現，這一名稱失去了意義），氣體進行放電，在此過程中同時發熱并發光。

因此，新型的LED 燈相比舊式的燈具，實現相同發光效率所消耗的能源就要低得多。另外，LED 技術目前仍在不斷被改進，其發光效率還在不斷提升。最新的記錄已經突破了300 流明/ 瓦，而一般的燈泡這一指標是16，日光燈則是70。考慮到目前全球有大約1/4 的電力用于照明目的，高效節能的LED 燈技術對于全球的節能工作具有重大意義。

LED 技術與手機、電腦，以及所有其他基于量子現象原理的現代技術一樣，源于同樣的工程技術手段。一根發光二極管內包括幾個分層：n 層帶有多余負電荷，p層則電子數不足，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，兩者就會結合并產生光線。這一過程產生光線的波長完全取決于半導體的性質。藍光波長很短，只有某些特定材料可以產生這一波長的光線。

諾獎得主

赤崎勇現年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系，現為日本名城大學教授。

赤崎勇和天野浩在氮化鎵研究中，首次實現了氮化鎵的PN 結，為利用氮化鎵材料制造藍色發光二極管奠定了基礎。2009 年11月10 日，赤崎勇獲得2009 年度京都獎尖端技術領域的獎項。京都獎自1985 年始設立，面向尖端技術、基礎科學、思想和藝術3 大領域，其得主中有數位又將諾貝爾獎收入囊中。

60 歲的中村修二為藍光二極管和青紫光二極管的發明者，被稱為“藍光之父”。中村修二于1979 年獲德島大學電子工程碩士學位，并于同年加入日亞化學。他于1993 年發明藍光二極管，1997 年開發出青紫光二極管，1999 年離開日亞公司，其后任教于美國加州大學圣巴巴拉分校。中村修二與日亞公司后因專利問題發生訴訟糾紛，曠日持久的官司也讓他廣為人知。

“2006 年，藍光發光二極管就拿下了千年技術獎， 獲得100 萬歐元的獎金”，中國科學院物理所研究員丁洪說，“千年技術獎”是迄今世界上頒發的獎金數額最高的科技獎，每兩年頒發一次，以表彰在科研或發明領域作出重大成就的個人或研究小組。

主要從事氮化鎵基藍、綠光系列高質量LED 研發和生產的武漢華燦光電股份有限公司，其總裁劉榕博士曾經與天野浩的團隊有過合作。在劉榕看來，天野浩和赤崎勇兩人最重要的工作，就是在1990 年前后，發現了P 型摻雜氮化鎵材料，解決了藍光LED 的P 極材料的導電問題，否則藍色的LED 做不出來。中村修二過去是做熒光粉的日亞公司的工程師，1992 年左右，在赤崎勇和天野浩的結果出來后，用更簡便的方法實現了P 型摻雜，后來應邀去美國做教授。

“他們幾乎是在同一時段進行實驗并最終取得成果，接著又互相提高對方的實驗成果”。皮爾·德爾辛教授說。

藍光的意義

LED研發的歷史已經很長，紅光二極管最早誕生于20 世紀70 年代。綠光二極管也已存在多年。眾所周知，紅色、綠色和藍色三色疊加就會得到白色的光，這個道理牛頓早在1671 年就告訴了我們。然而，藍光二極管的研發卻困難重重，這曾被認為是二十世紀不可能完成的任務。

而藍光LED 的出現，正在改變照明工業的歷史。劉榕介紹，白光LED 既節電又環保，耗電量比常規的白熾燈節省90%，比熒光燈節省30%～40%，而且不含汞，是綠色環保的理想新光源。最近的一次紀錄達到300 流明/ 瓦，這相當于16 個普通燈泡、近70 個熒光燈。這是諾貝爾物理學獎新聞發布會上給出的一組數據。“理論上，每一次你將一個電子放進一個空穴（holes）里，就能得到一點光。而LED 光源就在接近這個目標。接下來很難找到比這更好的方法。”皮爾·德爾辛教授說，提高還會有，可能是一點點進步，但絕不會十倍于它，已經沒有那種空間了。

現在天野浩教授仍然在做紫外LED 的研究。劉榕博士說，現在照明上的科學問題已經基本上解決了，只是工程上的改進，紫外LED 的效率還要提高，因為從藍光到深紫外光，要求材料中的氮化鋁比例越來越高，這使得P 型材料導電性越來越差，器件的效率難以提高。值得一提的是，高效的紫外光LED 技術將對便捷安全的細菌消殺設備提供重要的基礎。endprint