藍(lán)光LED為何能獲得今年諾貝爾獎(jiǎng)？

　　10月7日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)聯(lián)合授予日本科學(xué)家的赤崎勇(IsamuAkasaki)，天野浩(HiroshiAmano)以及美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的美籍日裔科學(xué)家中村修二(ShujiNakamura)，以表彰他們?cè)诎l(fā)明一種新型高效節(jié)能光源方面的貢獻(xiàn)，即藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)，為能源節(jié)省開拓了新空間。

　　昨天，當(dāng)赤崎勇、天野浩和中村修二獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的消息一公布，復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院院長(zhǎng)鄭立榮教授第一時(shí)間向中村修二教授發(fā)出了祝賀。“中村修二是復(fù)旦大學(xué)顧問教授，信息學(xué)院國(guó)際學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，他在2010年參加我們學(xué)院國(guó)際評(píng)估時(shí)，就建議我們要加強(qiáng)光電照明方面的研究。”正在波士頓訪學(xué)的鄭立榮說：“中村教授獲獎(jiǎng)最大的特點(diǎn)，是他腳踏學(xué)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用，這恐怕是他得獎(jiǎng)的最大的理由。”

　　英國(guó)劍橋大學(xué)教授科林·漢弗瑞爵士(SirColinHumphreys)指出：“這是一項(xiàng)巨大的成就，赤崎勇，天野浩和中村修二當(dāng)之無(wú)愧。他們發(fā)明的藍(lán)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(lán)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(shí)用的白光照明光源。這三位獲獎(jiǎng)人將共同分享800萬(wàn)瑞典克朗(約合120萬(wàn)美元)的獎(jiǎng)金。他們也因此與該獎(jiǎng)項(xiàng)自1901年頒發(fā)以來獲獎(jiǎng)的共196名德高望重的學(xué)者一同被銘記在那長(zhǎng)長(zhǎng)的榜單之上。

　　赤崎勇現(xiàn)年85歲，1964年獲名古屋大學(xué)博士學(xué)位，1981年起任名古屋大學(xué)教授，現(xiàn)為日本名城大學(xué)終身教授、名古屋大學(xué)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(xué)教授。

　　赤崎勇和天野浩在氮化鎵研究中，首次實(shí)現(xiàn)了氮化鎵的PN結(jié)，為利用氮化鎵材料制造藍(lán)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(jiǎng)尖端技術(shù)領(lǐng)域的獎(jiǎng)項(xiàng)。京都獎(jiǎng)自1985年始設(shè)立，面向尖端技術(shù)、基礎(chǔ)科學(xué)、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(jiǎng)收入囊中。

　　不是發(fā)現(xiàn)，是影響人類的發(fā)明

　　“藍(lán)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(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生很大影響的成果。”上海交通大學(xué)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(zhǎng)時(shí)間，但要產(chǎn)生白光，卻需要紅、藍(lán)、綠三原色同時(shí)起作用。原來的二極管因?yàn)榘l(fā)光能量太低，所以只能發(fā)出紅光和綠光，而藍(lán)光意味著需要發(fā)出更高能量的光。上世紀(jì)80年代末，赤崎勇和天野浩在名古屋大學(xué)合作研究，而當(dāng)時(shí)中村修二只是德島縣一家化學(xué)公司的雇員。他提出制備氮化鎵藍(lán)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(bào)》上發(fā)表了生平第一篇英文文章：一種用于生長(zhǎng)氮化鎵新穎的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法。論文一發(fā)表便轟動(dòng)了世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界——當(dāng)時(shí)世界上很多大公司和著名大學(xué)科研機(jī)構(gòu)都在為半導(dǎo)體藍(lán)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(xué)材料。

　　隨后，赤崎勇、中村修二、天野浩的研究使得人類得以進(jìn)入一場(chǎng)光源的革命。“正如他們所說的，這不是一個(gè)發(fā)現(xiàn)，而是一個(gè)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?yàn)檫@三位學(xué)者從不同的方面進(jìn)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(zhǎng)陸衛(wèi)稱，還有很多學(xué)者和這三位學(xué)者同期在從事藍(lán)光二極管的研究，但都因?yàn)闊o(wú)法在材料和器件制造工藝上取得突破而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自己的研究意圖，不得不選擇放棄。

　　這也是為什么，當(dāng)昨天諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)委員會(huì)接通中村修二的電話，告訴他獲得今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，中村修二足足愣了半分鐘才反應(yīng)過來。后來當(dāng)問他有什么感想時(shí)，他停頓了好久連說了幾個(gè)“是”，然后只說了一句“簡(jiǎn)直太難以相信了”。據(jù)了解，三位科學(xué)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(jì)錄是300流明/瓦，相當(dāng)于16個(gè)普通燈泡和接近70個(gè)熒光燈。據(jù)介紹，現(xiàn)在全世界電力消費(fèi)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(duì)三位獲獎(jiǎng)人的描述——“當(dāng)赤崎勇和天野浩、中村修二12月初參加諾貝爾頒獎(jiǎng)委員會(huì)的慶典時(shí)，他們應(yīng)該會(huì)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(gè)世紀(jì)了，但藍(lán)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(xué)者在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)界的持續(xù)努力，解決了這個(gè)過去30多年來一直存在的難題……

　　“他們得獎(jiǎng)不在于他們?cè)诶碚撋系耐黄?，而在于他們?cè)诓牧霞夹g(shù)和器件制備上的突破。”復(fù)旦大學(xué)長(zhǎng)期從事光器件研究的陳良堯教授說：“中村修二當(dāng)年在公司里研究藍(lán)光二極管，自己親手改造MOCVD長(zhǎng)膜，對(duì)長(zhǎng)膜機(jī)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(diǎn)點(diǎn)地獲得成功。這不能不說是他的一種技術(shù)上的突破。”

　　事實(shí)上，很多科學(xué)家都知道氮化鎵，物理學(xué)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(shí)驗(yàn)上的成果，真正讓人頭疼的是，要實(shí)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(dāng)時(shí)很多科學(xué)家都跟風(fēng)去開發(fā)新半導(dǎo)體材料，正如中村修二后來打趣說，因?yàn)榇蠊镜难邪l(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(xué)獎(jiǎng)近年更青睞應(yīng)用研究

　　當(dāng)物理學(xué)還被很多人認(rèn)為是玄乎得無(wú)法理解的各種粒子時(shí)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)近年來已經(jīng)不再只頒發(fā)給那些對(duì)人類對(duì)世界認(rèn)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(shí)用價(jià)值的物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)。

　　此前，已有海外學(xué)者認(rèn)為藍(lán)光半導(dǎo)體發(fā)光二極管是今年最可能獲獎(jiǎng)的主題。因?yàn)橹Z獎(jiǎng)近年來越來越青睞有應(yīng)用前景、對(duì)人類產(chǎn)生很大影響的科研成果。

　　在2000年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的兩位獲得者之一是電氣工程師杰克·基爾比，他因?yàn)樵诩呻娐钒l(fā)明的重要貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。集成電路的發(fā)明，顯然給人類社會(huì)帶來了很大影響，這是物理學(xué)獎(jiǎng)首次頒給應(yīng)用性研究成果。這也被認(rèn)為是一個(gè)信號(hào)，即物理學(xué)獎(jiǎng)不單單是獎(jiǎng)勵(lì)給那些基礎(chǔ)研究的，諾貝爾委員會(huì)也開始意識(shí)到一些能夠在人類社會(huì)帶來巨大應(yīng)用和影響的成果是非常重要的。

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，雖然大多數(shù)物理學(xué)獎(jiǎng)都是頒給基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)的，但2009年的物理學(xué)獎(jiǎng)卻是頒發(fā)給兩個(gè)實(shí)用性的主題——一個(gè)是光纖電纜，另一個(gè)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(shí)間克服了兩個(gè)重大材料制備工藝難題，一個(gè)是高質(zhì)量氮化鎵薄膜的生長(zhǎng)，另一個(gè)是氮化鎵空穴導(dǎo)電的調(diào)控。為了前者，他通過多達(dá)500次的試驗(yàn)，終于在普通藍(lán)寶石基片上獲得高電子遷移率的氮化鎵薄膜。而后一個(gè)問題，則是因?yàn)樗l(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(lán)色二極管材料。1994年4月，當(dāng)中村修二在美國(guó)舊金山舉辦的春季材料會(huì)議上打開他發(fā)明的藍(lán)色激光器那一瞬間，整個(gè)會(huì)議廳的科學(xué)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(jī)構(gòu)都有合作關(guān)系，他除了在復(fù)旦大學(xué)擔(dān)任教育部先進(jìn)照明技術(shù)工程研究中心的顧問，還在上海的不少機(jī)構(gòu)都擔(dān)任了顧問，定期進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。至今他除了在圣塔芭芭拉分校任職以外，還運(yùn)行著一個(gè)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(duì)人類的貢獻(xiàn)顯而易見：藍(lán)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(lán)光LED也有另外的應(yīng)用，比如，藍(lán)光光盤，從藍(lán)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(zhǎng)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(jìn)綠色能源開發(fā)進(jìn)程。

　　獲獎(jiǎng)原因

　　三位獲獎(jiǎng)?wù)咴诎l(fā)現(xiàn)新型高效、環(huán)境友好型光源，即藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)方面做出巨大貢獻(xiàn)。在藍(lán)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?yàn)榻衲甑闹Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，人們?cè)谥圃旃?jié)能光源方面進(jìn)入了“自由之境”。雖然這三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)獲得諾獎(jiǎng)讓人大跌眼鏡，但正是因?yàn)檫@一發(fā)明，人類可以制造出任何想要的LED光——藍(lán)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?yàn)樗{(lán)光二極管的出現(xiàn)，人們還可以補(bǔ)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(jìn)入自由的境界。

　　令人關(guān)注的，是這一獲獎(jiǎng)項(xiàng)目傳遞的信息：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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。