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蓝光LED为何斩获2014诺贝尔奖?

2015-1-29 08:59| 发布者: admin| 查看: 3060| 评论: 0

摘要: 蓝光LED为何斩获2014诺贝尔奖? 瑞典皇家科学院宣布,将2014年诺贝尔物理学奖联合授予日本科学家的赤崎勇(IsamuAkasaki),天野浩(HiroshiAmano)以及美国加州大学圣巴巴拉分校的美籍日裔科学家中村修二(ShujiNak ...

蓝光LED为何斩获2014诺贝尔奖?

 

瑞典皇家科学院宣布,将2014年诺贝尔物理学奖联合授予日本科学家的赤崎勇(IsamuAkasaki),天野浩(HiroshiAmano)以及美国加州大学圣巴巴拉分校的美籍日裔科学家中村修二(ShujiNakamura),以表彰他们在发明一种新型高效节能光源方面的贡献,即蓝色发光二极管(LED),为能源节省开拓了新空间。

  将新开发的蓝光LED光源与已有的红光与绿光LED光源结合,人们终于可以通过三原色原理产生更加自然和实用的白光照明光源。这三位获奖人将共同分享800万瑞典克朗(约合120万美元)的奖金。他们也因此与该奖项自1901年颁发以来获奖的共196名德高望重的学者一同被铭记在那长长的榜单之上。

  赤崎勇现年85岁,1964年获名古屋大学博士学位,1981年起任名古屋大学教授,现为日本名城大学终身教授、名古屋大学特聘教授。54岁的天野浩与赤崎勇是师生关系,现为日本名城大学教授。

  赤崎勇和天野浩在氮化镓研究中,首次实现了氮化镓的PN结,为利用氮化镓材料制造蓝色发光二极管奠定了基础。20091110,赤崎勇获得2009年度京都奖尖端技术领域的奖项。京都奖自1985年始设立,面向尖端技术、基础科学、思想和艺术3大领域,其得主中后有数位又将诺贝尔奖收入囊中。

  不是发现,是影响人类的发明

  红色和绿色二极管已经存在了很长时间,但要产生白光,却需要红、蓝、绿三原色同时起作用。原来的二极管因为发光能量太低,所以只能发出红光和绿光,而蓝光意味着需要发出更高能量的光。上世纪80年代末,赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作研究,而当时中村修二只是德岛县一家化学公司的雇员。他提出制备氮化镓蓝光发光二极管的设想,仅仅在提出这一设想三年后,中村修二便在《应用物理快报》上发表了生平第一篇英文文章:一种用于生长氮化镓新颖的金属有机物化学气相沉积法。论文一发表便轰动了世界半导体产业界和科学界——当时世界上很多大公司和著名大学科研机构都在为半导体蓝光光源薄膜材料的制备工艺头痛不已,而氮化镓正是III-V族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料。

  随后,赤崎勇、中村修二、天野浩的研究使得人类得以进入一场光源的革命。“正如他们所说的,这不是一个发现,而是一个发明,这需要在材料和器件上有重大突破,走通从理论到应用的路。正是因为这三位学者从不同的方面进行了突破,使得LED照明应用的推广成为可能。”中科院上海技术物理所所长陆卫称,还有很多学者和这三位学者同期在从事蓝光二极管的研究,但都因为无法在材料和器件制造工艺上取得突破而无法实现自己的研究意图,不得不选择放弃。

  另辟蹊径走别人不走的路

 

  在诺贝尔官网上,可以看到对三位获奖人的描述——当赤崎勇和天野浩、中村修二12月初参加诺贝尔颁奖委员会的庆典时,他们应该会注意到斯德哥尔摩街头的那些灯光,用的就是他们发明的节能LED白光路灯。红光和绿光二极管已经伴随我们半个世纪了,但蓝光才是真正带来革命性变化的技术。只有这三原色的灯光才能形成白光,照亮我们的世界。这三位学者在学术研究和工业界的持续努力,解决了这个过去30多年来一直存在的难题……

  事实上,很多科学家都知道氮化镓,物理学上关于这种材料的能带结构、PN导电类型调控以及发光特性,都有大量的理论和实验上的成果,真正让人头疼的是,要实现这种材料的器件化,必须使基板材料和氮化镓晶格匹配。当时很多科学家都跟风去开发新半导体材料,正如中村修二后来打趣说,因为大公司的研发力量把新材料开发的山头都占满了,他只有另辟蹊径走别人不走的路。

  通过产业化推广照明新技术

  中村修二在短短四年时间克服了两个重大材料制备工艺难题,一个是高质量氮化镓薄膜的生长,另一个是氮化镓空穴导电的调控。为了前者,他通过多达500次的试验,终于在普通蓝宝石基片上获得高电子迁移率的氮化镓薄膜。而后一个问题,则是因为他发现只要控制工艺中的氢气浓度就可以大规模地得到蓝色二极管材料。19944月,当中村修二在美国旧金山举办的春季材料会议上打开他发明的蓝色激光器那一瞬间,整个会议厅的科学家们如同小孩看烟火一般,不断发出赞叹的声音。

  中村修二发明的氮化镓发光二极管对人类的贡献显而易见:蓝光LED出现后,可以通过磷激发出红光和绿光,从而混合产生白光和其他各种颜色的光。蓝光LED也有另外的应用,比如,蓝光光盘,从蓝光LED发展出的紫外LED也可以高效净化生活用水;光纤通信的传输效率得到提高;超长使用寿命和高电光转换效率的全固态白光光源将极大促进绿色能源开发进程。

  获奖原因

  三位获奖者在发现新型高效、环境友好型光源,即蓝色发光二极管(LED)方面做出巨大贡献。在蓝光LED的帮助下,白光可以以新的方式被创造出来。使用LED灯,我们可以拥有更持久和更高效的灯光代替原来的光源。

  因为今年的诺贝尔物理学奖,人们在制造节能光源方面进入了“自由之境”。虽然这三位科学家因为发明蓝色发光二极管(LED)获得诺奖让人大跌眼镜,但正是因为这一发明,人类可以制造出任何想要的LED光——蓝色发光二极管不仅使得白光可以以一种新的方式创造出来,而且因为蓝光二极管的出现,人们还可以补齐三原色,使得人类能够制造的LED光源的光谱范围更广,可说是进入自由的境界。

  令人关注的,是这一获奖项目传递的信息:诺贝尔物理学奖近年来似乎日益青睐那些可以给人类生活带来巨大改变的应用性研究。

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