李淼

2014年10月7日，2014年度諾貝爾物理學獎授予日本名古屋大學的赤崎勇，天野浩以及美國加州大學圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他們在發(fā)明一種新型高效節(jié)能光源方面的貢獻，即藍色發(fā)光二極管（LED）。CFP供圖

諾貝爾物理學委員會本來預計北京時間2014年10月7日17：45召開發(fā)布會，我耐心地等。17：45剛過，手機端新聞就跳出一個消息，日本3位物理學家獲得今年的諾貝爾物理學獎。騰訊新聞彈出：“日本物理學家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）和日裔美籍科學家中村修二（Shuji Nakamur）獲獎?！笨吹竭@些名字，我知道今年的諾貝爾物理學獎頒給了與發(fā)明LED有關的科學家。

什么是LED

LED，這個縮寫詞的原文是light-emitting diode，對應的中文是“發(fā)光二極管”。即使我們用中文，很多人照樣不明白其意思。這樣說也許大家都會明白：LED就是電視遙控器上那個發(fā)出紅外信號的燈。這種燈，既不是傳統(tǒng)的白熾燈，也不是現(xiàn)在流行的熒光燈（所謂的節(jié)能燈也是熒光燈），而是一種半導體做成的燈。

諸位會問，電視遙控器我們也用了二十多年，為什么這么重要的信號發(fā)射器現(xiàn)在才獲獎？原因很簡單，你用的電視遙控器上的發(fā)光二極管或LED，只發(fā)射紅外光線，不發(fā)可見光，因此用處有限。所以，要弄明白這次諾獎為什么發(fā)給三位日本人，我們需要梳理一下LED的發(fā)展史。

二極管的物理原理

在梳理LED發(fā)展史之前，我先梳理一下我自己的歷史。在我小的時候，那時家里還用效率低下的白熾燈的時候，我就讀過與LED多多少少有關的物理，這些物理藏在我媽讀中專時的一本教科書中，其中提到了場致發(fā)光?？梢哉f，LED的發(fā)光原理就是一種場致發(fā)光：你將電壓加在某種半導體做成二極管上，它就發(fā)光了。二極管的材料不同，發(fā)出的光就不同。有的發(fā)出紅外光，有的發(fā)出紅光，有的發(fā)出黃光。而3位日本人的功勞是，發(fā)現(xiàn)了發(fā)出藍光的二極管。

那什么是二極管？我們小時候聽過半導體收音機的人都知道什么是二極管，現(xiàn)在的年輕人知道的可能不多了。簡言之，就是用半導體制成的一種“結”，在結的兩端加上電壓，如果是正壓就會出現(xiàn)電流，如果是負壓就不會出現(xiàn)電流（當然你別加得太多，任何東西都會被足夠高的電壓擊穿）。

二極管的單向導電性的原理很簡單，就是因為一端有游離的電子，另一端有游離的電子空穴。如果你給二極管加上電壓，那么電子向電壓高的地方跑，空穴向電壓低的地方跑，它們碰到一起就“湮滅”發(fā)光。事實是，電子填補了空穴，能量降低了，多余的能量變成光被拋出來了。能量越高，發(fā)出的光的波長就越短。也就是說，紅外光的能量最小，現(xiàn)在的紫外LED發(fā)出的光能量最高。

物理原理很簡單，所以LED想要獲獎，必須有應用，而且必須是重要應用。物理學獎向來如此，要么發(fā)現(xiàn)新的物理學原理，要么得有重要應用。LED的發(fā)光原理簡簡單單，以至于經過半個世紀的努力才最終獲得諾貝爾獎的肯定。

LED的發(fā)展史

1927年，一向致力于研究半導體的俄國人奧列格·羅塞夫（Oleg Losev）發(fā)現(xiàn)第一個LED，但這個發(fā)現(xiàn)沒有找到任何商業(yè)應用。

到了1955年，在美國無線電公司工作的魯賓·布朗斯坦（Rubin Braunstein）發(fā)現(xiàn)砷化鎵半導體會發(fā)射紅外線，可惜他和同伴們沒有去找商業(yè)應用。

又過了6年，1961年，美國人詹姆斯·畢亞德和加理·皮特曼（James R. Biard，Gary Pittman）發(fā)現(xiàn)，砷化鎵在加上電流時會發(fā)射紅外光，他們注冊了專利，次年這項發(fā)現(xiàn)就投入應用。同樣在次年，第一個可見光LED被發(fā)現(xiàn)，發(fā)出紅光。從紅外的波長900納米到了紅光的650納米。再過10年，也就是1972年，第一個黃光LED被發(fā)現(xiàn)，同時，LED的亮度被提高了10倍。

藍光LED的出現(xiàn)與應用

只有紅光、黃光和綠光我們無法合成白光，所以我們還需要藍光。藍光的波長比較短，只有450納米左右。直到上世紀末，具體是1994年，在日本日亞化工工作的中村修二用銦氮化鎵制出了亮度很高的藍光LED。中村修二的成就是建立在赤崎勇和天野浩的成就之上的。

赤崎勇是三位獲獎人中年紀最大的，出生于1929年，今年85歲了。他23歲本科畢業(yè)于京都大學，35歲才在名古屋大學獲得博士學位。20世紀60年代末，快40歲的時候，他開始研究基于氮化鎵基礎上的藍光LED。20世紀80年代，高質量氮化鎵的出現(xiàn)幫助他研究出了實用的藍光LED。此時，他的學生天野浩加入了他的團隊。在3人當中，天野浩最年輕，出生于1960年，而中村修二出生于1954年。

在中村修二之后，由于高亮度藍光LED的出現(xiàn)，很快出現(xiàn)了白光LED。現(xiàn)在，最流行的白光LED并不是三原色LED的組合，而是在藍光LED上覆蓋一層淡黃色熒光粉涂層。LED與白熾燈相比有幾個優(yōu)點，第一個優(yōu)點是發(fā)光效率高，一個白熾燈的電能轉化為光能的轉化率在10%左右，而LED的效率高達60%，比熒光燈還高。第二是需要的電壓很低，幾個伏特就行了。第三是壽命長，白熾燈的壽命是一千小時左右，LED壽命高達十萬小時（10年以上）。不過，LED目前用在家庭照明上還不多，主要原因是成本太高。

據(jù)說，LED效率的提高速度也遵從摩爾定律，也就是說，每過3年就提高一倍。而成本呢？據(jù)說每過10年一個流明的成本就降低10倍，而每個LED封裝的亮度提高20倍，這個定律叫海茲定律。如果這個定律繼續(xù)成立，到了2020年，LED光源將成為最便宜的光源，假如屆時全世界都用上LED，全世界用于照明的耗電將減少一半。僅僅為了節(jié)省一半照明用電，三位日本人也該獲得諾貝爾物理學獎。

最后，我們引用諾貝爾物理委員會的頒獎理由：因為他們發(fā)明了藍光LED，幫助了更亮和更節(jié)能的白光光源的出現(xiàn)。