為什么一顆小小的LED燈泡值得諾貝爾獎(jiǎng)呢？

差評君

中村修二，日裔美籍電子工程學(xué)家，美國加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校工程學(xué)院材料系教授。

紅綠藍(lán)三種顏色的發(fā)光二極管（LED），為了集齊這三種顏色，人類花費(fèi)了32年的研發(fā)時(shí)間，而藍(lán)色LED的發(fā)明者還因此獲得了2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)在LED已經(jīng)是隨處可見了，從你的手機(jī)、電腦到一切能發(fā)亮的電子產(chǎn)品，幾乎都離不開LED。在LED誕生前，最早家庭用的是拉繩開關(guān)的白熾燈，也叫鎢絲燈，再之后是教室常用的熒光燈，后來才慢慢用上LED。

白熾燈是19世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，但它是用電流燒熱了鎢絲，激發(fā)出光，所以在使用過程中只有10%的電能轉(zhuǎn)化成了光，其他大量的電能以熱量的形式被損耗掉，而且鎢絲的壽命很短，大概只有1000小時(shí)，這就是白熾燈泡“憋了”的原因。而熒光燈是用高電壓先將燈管里面的水銀蒸氣電離，激發(fā)出紫外光，紫外光再激發(fā)涂抹在燈管內(nèi)壁上的熒光粉，發(fā)出白光的可見光。這種發(fā)光方式比白熾燈效率提高了大約3倍。但熒光燈含有有毒的汞，而且頻繁開關(guān)會(huì)顯著老化，時(shí)間久了熒光燈管的兩端會(huì)出現(xiàn)黑色印記，而且還會(huì)閃爍。所以它們在效率和使用壽命上都不是很理想的照明工具。于是在20世紀(jì)下半葉，人類就執(zhí)著于解決照明的三個(gè)問題：亮度、能耗以及光源的耐用性。

LED的發(fā)展

1961年美國得克薩斯州儀器公司的兩名員工，加里·皮特曼和詹姆斯·比亞德在嘗試制造激光二極管時(shí)，意外做出了發(fā)光二極管。這種特殊的半導(dǎo)體被稱作LED。第一批LED發(fā)出的光是人眼不可見的紅外光，但這項(xiàng)技術(shù)在遙控領(lǐng)域卻發(fā)揮了重要作用，現(xiàn)在家里的電視、空調(diào)的遙控器，還在用紅外LED。

尼克·霍倫亞克

1962年美國通用電氣公司的研究員尼克·霍倫亞克改進(jìn)了紅外二極管，LED終于能發(fā)出可見的紅光了。因?yàn)榧t光很顯眼，省電且經(jīng)久耐用，壽命長達(dá)10萬小時(shí)。于是這項(xiàng)技術(shù)立刻成就了當(dāng)時(shí)幾乎所有電器里都有的指示燈，也包括大量電子產(chǎn)品的顯示屏幕，比如收音機(jī)、計(jì)算器、電子表等等。剛開始的紅色LED燈很昂貴，每個(gè)燈泡大概要200美元，在隨后的十多年，橙色、黃色、綠色的LED也被相繼發(fā)明，價(jià)格也隨之降低。但唯獨(dú)一個(gè)顏色始終沒有出現(xiàn)，那就是藍(lán)色LED。

為什么藍(lán)色那么重要呢？因?yàn)橹挥袑⒓t綠藍(lán)三原色集齊，才能發(fā)出最重要的顏色——白光。白光的重要性不言而喻，人眼最習(xí)慣的光照是太陽光，而太陽光本身就是一種幾乎全光譜的白光，可以被分成七種顏色的可見光，所以顏色越接近太陽光，人眼對顏色的感覺就越自然。

有了白光LED，就有了LED照明燈，LED背光液晶顯示器，LED全色顯示點(diǎn)陣等等，讓LED從紅綠色的小指示燈和數(shù)碼顯像管走向了真正意義上的通用光源。雖然早期在沒有藍(lán)色LED的情況下，人們依舊可以用顯像管、等離子等技術(shù)來顯示彩色，甚至早期的液晶顯示器用冷陰極熒光燈做背光也能實(shí)現(xiàn)彩色顯示，但有了藍(lán)光LED，顯示技術(shù)在能效、壽命、顯示質(zhì)量上都有了革命性的改變。現(xiàn)在幾乎所有的電子產(chǎn)品屏幕，都在用LED來做背光源，同時(shí)藍(lán)光LED還推動(dòng)了有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體（OLED）等新顯示技術(shù)的發(fā)展。

藍(lán)色LED的發(fā)明

為什么藍(lán)光就那么難被發(fā)明？因?yàn)長ED是由多層正負(fù)半導(dǎo)體材料組成的，為了實(shí)現(xiàn)特定的顏色和亮度，需要將特殊的半導(dǎo)體化合物以不同的比例混合在一起，以產(chǎn)生不同波長的顏色。這就像是一道美食的“絕密配方”，比如摻入砷化鎵就會(huì)讓LED發(fā)紅光，摻入磷化鎵會(huì)讓LED發(fā)出綠光，摻入碳化硅會(huì)讓LED發(fā)黃光等等。

而因?yàn)榧t光綠光波長較長，蘊(yùn)含能量較少，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，所以更容易激發(fā)出來；而藍(lán)光波長較短，自身蘊(yùn)含的能量較大，激發(fā)出來的難度要大得多。所以發(fā)光二極管的發(fā)明順序，幾乎就是按照“赤橙黃綠青藍(lán)紫”的順序由易到難一個(gè)個(gè)實(shí)現(xiàn)的。

最早開發(fā)出藍(lán)色LED的是美國無線電公司，公司實(shí)驗(yàn)室的材料學(xué)博士赫伯特·馬魯斯卡用氮化鎵和鎂摻雜，來制造藍(lán)色LED。但造出來的燈泡亮度太低，基本沒有什么使用價(jià)值。后來貝爾實(shí)驗(yàn)室和松下公司也嘗試使用氮化鎵來制造藍(lán)色LED，也都失敗了。直到80年代末，距離發(fā)明紅色LED已經(jīng)過去快30年了，人類卻一直沒辦法制造出可以實(shí)用的藍(lán)光LED。以至于最后他們得出結(jié)論：氮化鎵這玩意不太可能制造出可用的藍(lán)色LED。

1986年名古屋大學(xué)的赤崎勇和他的學(xué)生天野浩在藍(lán)寶石襯底上，涂上一層氮化鋁材料，并在上面生長出氮化鎵晶體。他們在無意間注意到，用掃描電鏡觀察晶體時(shí)，晶體的發(fā)光強(qiáng)度似乎增強(qiáng)了。兩人于是通過高能電子束照射晶體，成功制造出了能發(fā)出藍(lán)光的氮化鎵結(jié)晶。但這個(gè)過程非常復(fù)雜，且成本高昂，幾乎不太可能商用，但至少這個(gè)結(jié)果讓氮化物的研究又有了希望。

直到1993年，在一個(gè)叫日亞化學(xué)的小公司里，一位名叫中村修二的研究員最終制造出了藍(lán)色LED。在這之前，中村一直是公司里最底層的一個(gè)研究員，負(fù)責(zé)給公司開發(fā)新產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)大部分公司都在使用商用設(shè)備來制造LED，但日亞公司給的預(yù)算很少，從搭建儀器設(shè)備到焊管子吹玻璃，所有研發(fā)工作一切都靠中村自己。據(jù)說他的實(shí)驗(yàn)室里每個(gè)月都會(huì)發(fā)生爆炸，同事們只要聽到一聲巨響，就知道又是中村在加工石英管了，就這樣過了10年。

中村堅(jiān)持一條被其他同行認(rèn)為是死胡同的路線——氮化鎵。當(dāng)然他并不是覺得氮化鎵能成功，而是覺得用氮化鎵這種不太有前景的材料來寫自己的博士畢業(yè)論文，好像更容易發(fā)表。所以為了不延期畢業(yè)，中村硬著頭皮研究了好些年。他甚至說服了日亞公司拿出5億日元（約2400萬人民幣）來購買制造氮化鎵的設(shè)備，自己還跑到佛羅里達(dá)大學(xué)進(jìn)修了一年。

事實(shí)證明這些錢沒白花，中村后來仔細(xì)研究了赤崎勇和天野浩的制備方式，覺得他們忽略了一個(gè)重要的細(xì)節(jié)：掃描電鏡在測量氮化鎵的時(shí)候，實(shí)際上也是對樣品進(jìn)行了加熱，也許溫度升高才是導(dǎo)致氮化鎵輻射藍(lán)光能力增強(qiáng)的原因。沿著這個(gè)思路，中村改進(jìn)了晶體制備方式和工藝，用熱退火替代了高能電子束，又在已有的氮化鎵結(jié)構(gòu)里摻入了鋁和銦等元素。終于在1993年，中村制備出能發(fā)射高亮度藍(lán)光的氮化鎵，并公開了他們制造的藍(lán)光LED，這顆燈泡比過去的藍(lán)光LED要亮一百倍，而且顏色也非常鮮艷。

OLED屏幕在小尺寸屏幕設(shè)備如手機(jī)、平板電腦上的應(yīng)用較為廣泛，而大尺寸的電視領(lǐng)域仍是例外，這是由于顯示面板的制造方法精細(xì)而復(fù)雜。

于是日亞公司開始量產(chǎn)這種藍(lán)光LED，并在之后的數(shù)年里賺了幾千億日元，成了LED行業(yè)的霸主，連蘋果公司都成了它的客戶。中村的論文讓他取得了日本德島大學(xué)的博士學(xué)位，LED也開始取代其他照明設(shè)備，走進(jìn)千家萬戶。2014年，為了表彰藍(lán)光LED的發(fā)明者，中村修二與赤崎勇、天野浩一起獲得了該年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。故事到這里似乎已經(jīng)圓滿了，但中村修二的故事才剛剛開始。

諾獎(jiǎng)得主的經(jīng)歷

中村發(fā)明了藍(lán)光LED后，日亞便以公司的名義申請了專利，并開始大量生產(chǎn)銷售藍(lán)色發(fā)光二極管，從一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)搖身一變成為世界最大的LED公司。

而讓日亞賺得盆滿缽滿的中村修二，最后只拿到公司發(fā)的2萬日元獎(jiǎng)金，折合人民幣也就一千來塊。沒有升職，沒有加薪，他還在原來的實(shí)驗(yàn)室里，孤身一人做著實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)時(shí)美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的華裔校長楊祖佑，特地飛到日本邀請中村。他原以為發(fā)明了藍(lán)光LED的中村，會(huì)是日本社會(huì)舉足輕重的人物，想必很難招攬到大學(xué)里。但當(dāng)楊祖佑發(fā)現(xiàn)中村修二還在地下室做實(shí)驗(yàn)，職位只是一個(gè)技術(shù)員，楊祖佑知道機(jī)會(huì)來了。

1999年中村從日亞辭職，連帶著也退了日本國籍，接受邀請去了美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校擔(dān)任教授。2000年底，日亞公司以涉嫌泄露商業(yè)秘密為由，將中村告上法庭。一年后，中村反告日亞公司，要求公司支付發(fā)明專利賠償金，最后中村勝訴了，這個(gè)官司以日亞賠付中村8.4億日元（約4000萬人民幣）而告終。這起官司也成了專利訴訟教材的標(biāo)志性案例。之后中村在公開場合多次批評日本的科研環(huán)境，應(yīng)該沒有人比他更了解，在等級森嚴(yán)的公司中有無數(shù)像他一樣的底層技術(shù)員是如何被長期忽視的。

今天照明仍然占全球電力消耗的20%—30%，溫室氣體排放的6%。而LED的能耗只有白熾燈的10%，使用壽命延長了25倍。如果把所有照明改成LED，那每年可減少二氧化碳排放量7.35億噸。21世紀(jì)以來，LED起碼給12億缺乏電力的人提供了光明。就像諾貝爾獎(jiǎng)評選委員會(huì)在聲明中所說的那樣：“如果說白熾燈照亮了20世紀(jì)，那么21世紀(jì)將是被LED燈照亮的。”

（責(zé)編：南名俊岳）