藍光LED為何能獲得今年諾貝爾獎？

　　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)獎聯(lián)合授予日本科學(xué)家的赤崎勇(IsamuAkasaki)，天野浩(HiroshiAmano)以及美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的美籍日裔科學(xué)家中村修二(ShujiNakamura)，以表彰他們在發(fā)明一種新型高效節能光源方面的貢獻，即藍色發(fā)光二極管(LED)，為能源節省開(kāi)拓了新空間。

　　昨天，當赤崎勇、天野浩和中村修二獲得諾貝爾物理學(xué)獎的消息一公布，復旦大學(xué)信息學(xué)院院長(cháng)鄭立榮教授第一時(shí)間向中村修二教授發(fā)出了祝賀。“中村修二是復旦大學(xué)顧問(wèn)教授，信息學(xué)院國際學(xué)術(shù)委員會(huì )委員，他在2010年參加我們學(xué)院國際評估時(shí)，就建議我們要加強光電照明方面的研究。”正在波士頓訪(fǎng)學(xué)的鄭立榮說(shuō)：“中村教授獲獎最大的特點(diǎn)，是他腳踏學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩地，執著(zhù)地把理論用技術(shù)走通，從而實(shí)現應用，這恐怕是他得獎的最大的理由。”

　　英國劍橋大學(xué)教授科林·漢弗瑞爵士(SirColinHumphreys)指出：“這是一項巨大的成就，赤崎勇，天野浩和中村修二當之無(wú)愧。他們發(fā)明的藍光LED技術(shù)為研發(fā)明亮而節能的燈具，更高效的照明技術(shù)鋪平了道路。”

　　將新開(kāi)發(fā)的藍光LED光源與已有的紅光與綠光LED光源結合，人們終于可以通過(guò)三原色原理產(chǎn)生更加自然和實(shí)用的白光照明光源。這三位獲獎人將共同分享800萬(wàn)瑞典克朗(約合120萬(wàn)美元)的獎金。他們也因此與該獎項自1901年頒發(fā)以來(lái)獲獎的共196名德高望重的學(xué)者一同被銘記在那長(cháng)長(cháng)的榜單之上。

　　赤崎勇現年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)現了氮化鎵的PN結，為利用氮化鎵材料制造藍色發(fā)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(shù)領(lǐng)域的獎項。京都獎自1985年始設立，面向尖端技術(shù)、基礎科學(xué)、思想和藝術(shù)3大領(lǐng)域，其得主中后有數位又將諾貝爾獎收入囊中。

　　不是發(fā)現，是影響人類(lèi)的發(fā)明

　　“藍光LED雖然聽(tīng)上去并不是那么玄乎或者高大上，但卻是可以對人類(lèi)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(cháng)時(shí)間，但要產(chǎn)生白光，卻需要紅、藍、綠三原色同時(shí)起作用。原來(lái)的二極管因為發(fā)光能量太低，所以只能發(fā)出紅光和綠光，而藍光意味著(zhù)需要發(fā)出更高能量的光。上世紀80年代末，赤崎勇和天野浩在名古屋大學(xué)合作研究，而當時(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光發(fā)光二極管的設想，僅僅在提出這一設想三年后，中村修二便在《應用物理快報》上發(fā)表了生平第一篇英文文章：一種用于生長(cháng)氮化鎵新穎的金屬有機物化學(xué)氣相沉積法。論文一發(fā)表便轟動(dòng)了世界半導體產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界——當時(shí)世界上很多大公司和著(zhù)名大學(xué)科研機構都在為半導體藍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(lèi)得以進(jìn)入一場(chǎng)光源的革命。“正如他們所說(shuō)的，這不是一個(gè)發(fā)現，而是一個(gè)發(fā)明，這需要在材料和器件上有重大突破，走通從理論到應用的路。正是因為這三位學(xué)者從不同的方面進(jìn)行了突破，使得LED照明應用的推廣成為可能。”中科院上海技術(shù)物理所所長(cháng)陸衛稱(chēng)，還有很多學(xué)者和這三位學(xué)者同期在從事藍光二極管的研究，但都因為無(wú)法在材料和器件制造工藝上取得突破而無(wú)法實(shí)現自己的研究意圖，不得不選擇放棄。

　　這也是為什么，當昨天諾貝爾獎頒獎委員會(huì )接通中村修二的電話(huà)，告訴他獲得今年的諾貝爾物理學(xué)獎時(shí)，中村修二足足愣了半分鐘才反應過(guò)來(lái)。后來(lái)當問(wèn)他有什么感想時(shí)，他停頓了好久連說(shuō)了幾個(gè)“是”，然后只說(shuō)了一句“簡(jiǎn)直太難以相信了”。據了解，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。最新的紀錄是300流明/瓦，相當于16個(gè)普通燈泡和接近70個(gè)熒光燈。據介紹，現在全世界電力消費的四分之一用于照明，而更高效的LED燈有助于節約地球資源。

　　另辟蹊徑走別人不走的路

　　在諾貝爾官網(wǎng)上，可以看到對三位獲獎人的描述——“當赤崎勇和天野浩、中村修二12月初參加諾貝爾頒獎委員會(huì )的慶典時(shí)，他們應該會(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)世紀了，但藍光才是真正帶來(lái)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)界的持續努力，解決了這個(gè)過(guò)去30多年來(lái)一直存在的難題……

　　“他們得獎不在于他們在理論上的突破，而在于他們在材料技術(shù)和器件制備上的突破。”復旦大學(xué)長(cháng)期從事光器件研究的陳良堯教授說(shuō)：“中村修二當年在公司里研究藍光二極管，自己親手改造MOCVD長(cháng)膜，對長(cháng)膜機理了解很深入;別人做出來(lái)的GaN薄膜質(zhì)量很差，很多人都放棄了，他做出來(lái)的就好，最后一點(diǎn)點(diǎn)地獲得成功。這不能不說(shuō)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構、PN導電類(lèi)型調控以及發(fā)光特性，都有大量的理論和實(shí)驗上的成果，真正讓人頭疼的是，要實(shí)現這種材料的器件化，必須使基板材料和氮化鎵晶格匹配。當時(shí)很多科學(xué)家都跟風(fēng)去開(kāi)發(fā)新半導體材料，正如中村修二后來(lái)打趣說(shuō)，因為大公司的研發(fā)力量把新材料開(kāi)發(fā)的山頭都占滿(mǎn)了，他只有另辟蹊徑走別人不走的路。

　　物理學(xué)獎近年更青睞應用研究

　　當物理學(xué)還被很多人認為是玄乎得無(wú)法理解的各種粒子時(shí)，諾貝爾物理學(xué)獎近年來(lái)已經(jīng)不再只頒發(fā)給那些對人類(lèi)對世界認知產(chǎn)生重大影響的基礎研究，而是越來(lái)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。

　　此前，已有海外學(xué)者認為藍光半導體發(fā)光二極管是今年最可能獲獎的主題。因為諾獎近年來(lái)越來(lái)越青睞有應用前景、對人類(lèi)產(chǎn)生很大影響的科研成果。

　　在2000年，諾貝爾物理學(xué)獎的兩位獲得者之一是電氣工程師杰克·基爾比，他因為在集成電路發(fā)明的重要貢獻而獲獎。集成電路的發(fā)明，顯然給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)了很大影響，這是物理學(xué)獎首次頒給應用性研究成果。這也被認為是一個(gè)信號，即物理學(xué)獎不單單是獎勵給那些基礎研究的，諾貝爾委員會(huì )也開(kāi)始意識到一些能夠在人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)巨大應用和影響的成果是非常重要的。

　　進(jìn)入21世紀以來(lái)，雖然大多數物理學(xué)獎都是頒給基礎發(fā)現的，但2009年的物理學(xué)獎卻是頒發(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(guò)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(cháng)，另一個(gè)是氮化鎵空穴導電的調控。為了前者，他通過(guò)多達500次的試驗，終于在普通藍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(wèn)題，則是因為他發(fā)現只要控制工藝中的氫氣濃度就可以大規模地得到藍色二極管材料。1994年4月，當中村修二在美國舊金山舉辦的春季材料會(huì )議上打開(kāi)他發(fā)明的藍色激光器那一瞬間，整個(gè)會(huì )議廳的科學(xué)家們如同小孩看煙火一般，不斷發(fā)出贊嘆的聲音。

　　據悉，中村修二和上海不少機構都有合作關(guān)系，他除了在復旦大學(xué)擔任教育部先進(jìn)照明技術(shù)工程研究中心的顧問(wèn)，還在上海的不少機構都擔任了顧問(wèn)，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，還運行著(zhù)一個(gè)科技公司，通過(guò)產(chǎn)業(yè)化來(lái)推廣一些照明新技術(shù)。

　　中村修二發(fā)明的氮化鎵發(fā)光二極管對人類(lèi)的貢獻顯而易見(jiàn)：藍光LED出現后，可以通過(guò)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?；蛘吲c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。藍光LED也有另外的應用，比如，藍光光盤(pán)，從藍光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(cháng)使用壽命和高電光轉換效率的全固態(tài)白光光源將極大促進(jìn)綠色能源開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

　　獲獎原因

　　三位獲獎?wù)咴诎l(fā)現新型高效、環(huán)境友好型光源，即藍色發(fā)光二極管(LED)方面做出巨大貢獻。在藍光LED的幫助下，白光可以以新的方式被創(chuàng )造出來(lái)。使用LED燈，我們可以擁有更持久和更高效的燈光代替原來(lái)的光源。

　　因為今年的諾貝爾物理學(xué)獎，人們在制造節能光源方面進(jìn)入了“自由之境”。雖然這三位科學(xué)家因為發(fā)明藍色發(fā)光二極管(LED)獲得諾獎讓人大跌眼鏡，但正是因為這一發(fā)明，人類(lèi)可以制造出任何想要的LED光——藍色發(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(lái)，而且因為藍光二極管的出現，人們還可以補齊三原色，使得人類(lèi)能夠制造的LED光源的光譜范圍更廣，可說(shuō)是進(jìn)入自由的境界。

　　令人關(guān)注的，是這一獲獎項目傳遞的信息：諾貝爾物理學(xué)獎近年來(lái)似乎日益青睞那些可以給人類(lèi)生活帶來(lái)巨大改變的應用性研究。