目前全世界電力消費的1/4都用于照明，更高效的LED燈的開發(fā)將有助于全球節(jié)能，堪稱是一場影響世界的光源革命

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)家赤崎勇、天野浩及美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的美籍日裔科學(xué)家中村修二，以表彰他們在發(fā)明一種新型高效節(jié)能光源——藍色發(fā)光二極管（LED）上的貢獻。

赤崎勇、天野浩和中村修二獲獎的消息一公布，復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院院長鄭立榮教授立即在第一時間向中村修二教授發(fā)出祝賀。正在波士頓訪學(xué)的鄭立榮說：“中村教授獲獎最大的原因，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，從而實現(xiàn)應(yīng)用?！?/p>

英國劍橋大學(xué)教授科林·漢弗瑞爵士稱贊說：“這是一項巨大的成就，赤崎勇、天野浩和中村修二的獲獎當之無愧。他們發(fā)明的藍光LED技術(shù)，為研發(fā)明亮而節(jié)能的燈具和更高效的照明技術(shù)鋪平了道路?！?/p>

諾貝爾獎評選委員會在獲獎成就的聲明中指出：“如果說白熾燈照亮了20世紀，那么21世紀將被LED燈照亮。”

將新開發(fā)的藍光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)生更加自然和實用的白光照明光源。這三位獲獎?wù)邔⒎窒?00萬瑞典克朗（約合120萬美元）的獎金，他們也因此與1901年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)以來獲得該獎的196名德高望重的學(xué)者一同，被銘記在那長長的榮耀榜單之上。

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現(xiàn)了氮化鎵的PN結(jié)，為利用氮化鎵材料制造藍色發(fā)光二極管奠定了基礎(chǔ)。2009年11月10日，赤崎勇獲得2009年度京都獎尖端技術(shù)領(lǐng)域的獎項。

一場影響世界的光源革命

“藍光LED雖然聽上去并不那么玄乎或高大上，卻是一個對人類社會產(chǎn)生很大影響的成果。”上海交通大學(xué)物理系教授季向東如是評價。

LED，即發(fā)光二極管，是繼油燈、白熾燈和熒光燈之后，人類照明技術(shù)的又一大突破。盡管此前，紅光LED和綠光LED已經(jīng)存在了很長時間并被應(yīng)用于機器儀器的顯示光源，但由于光的三原色包含紅、綠、藍，此前因為藍色光源的缺失，使得用于照明的白色光源始終無法創(chuàng)建。無論是在科學(xué)界還是工業(yè)界，如何造出藍光LED曾困擾了人們數(shù)十年。

造出藍光LED的最大難題，來自此前的二極管發(fā)光能量太低，所以只能發(fā)出紅光和綠光，而藍光意味著需要發(fā)出更高能量的光。

赤崎勇

天野浩

中村修二

1973年，當時在松下電器公司東京研究所工作的赤崎勇最早開始了藍光LED的研究。后來，赤崎勇和天野浩在名古屋大學(xué)合作進行藍光LED的基礎(chǔ)性研發(fā)，并于1989年首次成功研發(fā)出藍光LED。

上世紀80年代末，任職于日亞化學(xué)工業(yè)公司的中村修二提出制備氮化鎵藍光發(fā)光二極管的設(shè)想。三年后，他在《應(yīng)用物理快報》上發(fā)表了生平第一篇英文文章：一種用于生長氮化鎵新穎的金屬有機物化學(xué)氣相沉積法。

這篇論文一發(fā)表便轟動了世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界——當時世界上很多大公司和著名大學(xué)、科研機構(gòu)都在為半導(dǎo)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(dǎo)體材料中最具有希望的寬禁帶光學(xué)材料。

1993年，得益于中村修二的實用化研究，日亞化學(xué)工業(yè)公司首次推出LED照明成品。隨后，赤崎勇、中村修二、天野浩的進一步研究，使人類得以進入一場光源革命。

“正如他們所說，這不是一個發(fā)現(xiàn)，而是一個發(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。正是因為這三位學(xué)者從不同的方面進行了突破，使得LED照明應(yīng)用的推廣成為可能?！敝锌圃荷虾＜夹g(shù)物理所所長陸衛(wèi)稱，還有很多學(xué)者同期從事藍光二極管的研究，但都因為無法在材料和器件制造工藝上取得突破而無法實現(xiàn)研究意圖，最終不得不選擇放棄。

目前，這三位科學(xué)家正在不斷完善自己的成果，以得到更高效的光通量。他們發(fā)明的藍色發(fā)光二極管（LED）的光效最新紀錄是300流明/瓦，相當于16個普通燈泡和接近70個熒光燈。

另辟蹊徑走別人不走的路

在諾貝爾獎官網(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的慶典時，他們應(yīng)該會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)伴隨我們半個世紀了，但藍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，解決了這個過去30多年來一直存在的難題……”

“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?！睆?fù)旦大學(xué)長期從事光器件研究的陳良堯教授說：“中村修二當年在公司里研究藍光二極管，自己親手改造MOCVD長膜，對長膜機理了解很深入；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，最后一點點地獲得成功。這不能不說是他的一種技術(shù)上的突破。”

事實上，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驗上的成果，真正讓人頭疼的是，要實現(xiàn)這種材料的器件化，必須使基板材料和氮化鎵晶格匹配。當時很多科學(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，因為大公司的研發(fā)力量把新材料開發(fā)的山頭都占滿了，他只好另辟蹊徑走別人不走的路。

赤崎勇（左）、天野浩（中）、中村修二因研究出“更明亮、更節(jié)能的藍色LED”而獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾獎評選委員會稱：“當前世界1/4的電力用于照明，LED為節(jié)約電力做出了巨大貢獻?！保▉碓矗褐Z貝爾獎官網(wǎng)）

諾貝爾獎頒獎現(xiàn)場使用藍光LED拼成的A.Nobel字樣。

藍光LED的貢獻

此后，中村修二在短短四年時間里，克服了兩個重大材料制備工藝難題，一個是高質(zhì)量氮化鎵薄膜的生長，另一個是氮化鎵空穴導(dǎo)電的調(diào)控。

為了解決前一問題，他通過多達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。而后一個問題的解決，則來源于他的發(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議上打開他發(fā)明的藍色激光器的那一瞬間，整個會議廳的科學(xué)家們?nèi)缤『⒖礋熁鹨话?，不斷發(fā)出贊嘆聲。

據(jù)悉，中村修二和上海不少機構(gòu)都有合作關(guān)系，他除了在復(fù)旦大學(xué)擔(dān)任教育部先進照明技術(shù)工程研究中心的顧問，還在上海的不少機構(gòu)擔(dān)任顧問，定期進行學(xué)術(shù)交流。至今他除了在圣塔芭芭拉分校任職以外，還運行著一個科技公司，致力于通過產(chǎn)業(yè)化來推廣照明新技術(shù)。

中村修二與赤崎勇、天野浩發(fā)明出的藍色發(fā)光二極管，對人類的貢獻顯而易見：藍光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。

此外，藍光LED還有著更多的應(yīng)用，比如，藍光光盤，從藍光LED發(fā)展出的紫外LED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綠色能源開發(fā)進程。

藍色發(fā)光二極管的問世，使人們在制造節(jié)能光源方面進入了“自由之境”。

因為這一發(fā)明，人類可以制造出任何想要的LED光——藍色發(fā)光二極管的出現(xiàn)，不僅使白光能夠以一種新的方式創(chuàng)造出來，從而使人們能擁有更持久和更高效的光源；而且還補齊了三原色，使人類能夠制造出光譜范圍更廣的LED光源，可說是進入了“自由之境”。

而更加令人關(guān)注的，則是這一發(fā)明獲得諾貝爾獎所傳遞出的信息：諾貝爾物理學(xué)獎近年來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。

與其他照明光源相比，LED燈高效節(jié)能且壽命長久，能持續(xù)照亮約10萬小時，而白熾燈和熒光燈的壽命僅為1000小時和1萬小時。此外，目前世界電力消費的1/4都用于照明，更高效LED燈的開發(fā)將有助于全球節(jié)能。特別是在許多不發(fā)達地區(qū)，LED燈依靠當?shù)氐统杀镜奶柲芫湍苁褂谩τ谌?5億尚未受益于電網(wǎng)的人們來說，這種新型光源將帶來更高的生活品質(zhì)。