“21世紀將被LED燈照亮”

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，瑞典皇家科學院宣布，將2014年諾貝爾物理學獎聯(lián)合授予日本科學家赤崎勇、天野浩及美國加州大學圣巴巴拉分校的美籍日裔科學家中村修二，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，復旦大學信息學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。正在波士頓訪學的鄭立榮說：“中村教授獲獎最大的原因，是他腳踏學術和產業(yè)兩地，執(zhí)著地把理論用技術走通，從而實現(xiàn)應用?！?/p>

英國劍橋大學教授科林·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，為研發(fā)明亮而節(jié)能的燈具和更高效的照明技術鋪平了道路。”

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?！?/p>

將新開發(fā)的藍光LED光源與已有的紅光與綠光LED光源結合，人們終于可以通過三原色原理產生更加自然和實用的白光照明光源。這三位獲獎者將分享800萬瑞典克朗（約合120萬美元）的獎金，他們也因此與1901年諾貝爾物理學獎頒發(fā)以來獲得該獎的196名德高望重的學者一同，被銘記在那長長的榮耀榜單之上。

赤崎勇現(xiàn)年85歲，1964年獲名古屋大學博士學位，1981年起任名古屋大學教授，現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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領域的獎項。

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生很大影響的成果?！鄙虾＝煌ù髮W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，人類照明技術的又一大突破。盡管此前，紅光LED和綠光LED已經存在了很長時間并被應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合作進行藍光LED的基礎性研發(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)光二極管的設想。三年后，他在《應用物理快報》上發(fā)表了生平第一篇英文文章：一種用于生長氮化鎵新穎的金屬有機物化學氣相沉積法。

這篇論文一發(fā)表便轟動了世界半導體產業(yè)界和科學界——當時世界上很多大公司和著名大學、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材料。

1993年，得益于中村修二的實用化研究，日亞化學工業(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，走通從理論到應用的路。正是因為這三位學者從不同的方面進行了突破，使得LED照明應用的推廣成為可能?！敝锌圃荷虾＜夹g物理所所長陸衛(wèi)稱，還有很多學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。只有這三原色的燈光才能形成白光，照亮我們的世界。這三位學者在學術研究和工業(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和器件制備上的突破?！睆偷┐髮W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上的突破。”

事實上，很多科學家都知道氮化鎵，物理學上關于這種材料的能帶結構、PN導電類型調控以及發(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。當時很多科學家都跟風去開發(fā)新半導體材料，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）

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，一個是高質量氮化鎵薄膜的生長，另一個是氮化鎵空穴導電的調控。

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，整個會議廳的科學家們如同小孩看煙火一般，不斷發(fā)出贊嘆聲。

據(jù)悉，中村修二和上海不少機構都有合作關系，他除了在復旦大學擔任教育部先進照明技術工程研究中心的顧問，還在上海的不少機構擔任顧問，定期進行學術交流。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，致力于通過產業(yè)化來推廣照明新技術。

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，從而混合產生白光和其他各種顏色的光。

此外，藍光LED還有著更多的應用，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的人們來說，這種新型光源將帶來更高的生活品質。