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【2014诺贝尔奖】李淼:蓝光将照亮世界

诺贝尔物理奖为何颁给了三位日本人

李淼 发表于  2014-10-08 14:14

编辑的话:2014年的诺贝尔物理学奖,颁发给了日本物理学家赤崎勇、天野浩和日裔美籍物理学家中村修二,以表彰他们发明了高效环保的光源——蓝光LED。这种看似平常的发明,何以获得如此重量级的大奖。来看看理论物理学家李淼,对此有何评论。
本文首发于腾讯《大家》频道:dajia.qq.com,转载时略有修改。

2014年10月7日北京时间下午5:30,我打开电脑,进入诺贝尔奖网站,失望地发现他们的物理学奖发布会视频将通过youtube发布。我不是不能翻墙,问题是翻墙软件效率不好,于是放弃了观看即时视频。

诺贝尔物理学委员会本来预计北京时间下午5:45召开发布会,我耐心地等。5:45刚过,手机端腾讯新闻就跳出一个消息,日本3位物理学家获得今年的诺贝尔物理学奖。腾讯新闻弹出:“日本物理学家赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和日裔美籍科学家中村修二(Shuji Nakamur)获奖。”

2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋大学的赤崎勇,天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二,以表彰他们在发明一种新型高效节能光源——蓝色发光二极管(LED)方面作出的贡献。CFP供图

看到这些名字,我知道今年的诺贝尔物理学奖颁给了与发明LED有关的科学家。

好吧,很多人会好奇,什么是LED?这个缩写词的原文是light-emitting diode,对应的中文是“发光二极管”。即使我们用中文,很多人照样不明白其意思。这样说也许大家都会明白:LED就是电视遥控器上那个发出红外信号的灯。这种灯既不是传统的白炽灯,也不是现在流行的荧光灯(所谓节能灯也是荧光灯),而是一种半导体做成的灯。

诸位会问,原来是这样的啊,可是电视遥控器我们也用了二十多年了,为什么这么重要的信号发射器现在才获奖?

原因很简单,你用的电视遥控器上的发光二极管,或LED,只发射红外光线,不发可见光,因此用处有限。所以,要弄明白这次诺奖为什么发给三位日本人,我们需要梳理一下LED的发展史。

在梳理LED发展史之前,我先梳理一下我自己的历史。

我与LED没有任何关联。我想说的是,在我小时候,那时我们家还用效率低下的白炽灯的时候,我就读过与LED多多少少有关的物理,这些物理藏在我妈读中专时的一本教科书中,其中提到了场致发光。可以说,LED的发光原理就是一种场致发光:你将电压加在某种半导体做成二极管上,它就发光了。二极管的材料不同,发出的光就不同。有的发出红外光,有的发出红光,有的发出黄光。而3位日本人的功劳是,发现了发出蓝光的二极管。

那,什么是二极管?我们小时候听过半导体收音机的人都知道什么是二极管,经常用零花钱去买。现在的年轻人知道的可能不多了。简言之,就是用半导体制成的一种“结”,在结的两端加上电压,如果是正压就会出现电流,如果是负压就不会出现电流(当然你别加得太多,任何东西都会被足够高的电压击穿)。

二极管的单向导电性的原理很简单,就是因为一端有游离的电子,另一端有游离的电子空穴(这个名字有点儿学术,用离子可能更通俗些)。好了,如果你给二极管加上电压,那么电子向电压高的地方跑,空穴向电压低的地方跑,它们碰到一起就“湮灭”发光。事实是,电子填补了空穴,能量降低了,多余的能量变成光被抛出来了。能量越高,发出的光的波长就越短。也就是说,红外光的能量最小,现在的紫外LED发出的光能量最高。

物理原理很简单,所以,LED想要获奖,必须有应用,而且必须是重要应用。物理学奖向来如此,要么你发现新的物理学原理,要么你得有重要应用。LED的发光原理简简单单,以至于经过半个世纪的努力才最终获得诺贝尔奖的肯定。

为了做一名事前诸葛亮,我提前一天在微博上“预言”了今年的诺贝尔物理学奖:“明天是诺贝尔物理学奖发布会,我去年就预测今年的物理学奖,我的首选是负折射率材料,即超颖材料,如果这个领域获奖,获奖人当然该是 J. B. Pendry, D. R. Smith, D. Schurig。另一个可能是LED的发明,至于到底奖给谁就很难说了。”

我的预言重点,超颖材料,没有获奖,第二个选项获得了。让我们期待5年后超颖材料获奖吧,那是诺贝尔物理学奖在各领域的又一个循环。超颖材料的应用是一个非常科幻的话题,我期待五年后有机会谈。

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现在可以谈谈LED的历史了。概要如下:

1927年,一向致力于研究半导体的俄国人奥列格·罗塞夫(Oleg Losev)发现第一个LED,但这个发现没有找到任何商业应用。

到了1955年,在美国无线电公司工作的鲁宾·布朗斯坦(Rubin Braunstein)发现砷化镓半导体会发射红外线,可惜他和同伴们玩玩就算了,没有去找商业应用。

又过了6年,1961年,美国人詹姆斯·毕亚德和加理·皮特曼(James R. Biard,Gary Pittman)发现,砷化镓在加上电流时会发射红外光,他们注册了专利,次年这项发现就投入应用。同样在次年,第一个可见光LED被发现,发出红光。从红外的波长900纳米到了红光的650纳米。再过10年,也就是1972年,第一个黄光LED被发现,同时,LED的亮度被提高了10倍。

但是,只有红光、黄光和绿光我们无法合成白光,我们还需要蓝光。蓝光的波长比较短,只有450纳米左右。直到上世纪末,具体是1994年,在日本日亚化工工作的中村修二用铟氮化镓制出了亮度很高的蓝光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。

赤崎勇是三位获奖人中年纪最大的,出生于1929年,今年85岁了。他23岁本科毕业于京都大学,35岁才在名古屋大学获得博士学位。上世纪60年代末,快40岁的时候,他开始研究基于氮化镓基础上的蓝光LED。上世纪80年代,高质量氮化镓的出现帮助他研究出了实用的蓝光LED。此时,他的学生天野浩加入了他的团队。在3人当中,天野浩最年轻,出生于1960年,而中村修二出生于1954年。

在中村修二之后,由于高亮度蓝光LED的出现,很快出现了白光LED。现在,最流行的白光LED并不是三原色LED的组合,而是在蓝光LED上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层。

LED与白炽灯相比有几个优点,第一当然是发光效率高,一个白炽灯的电能转化为光能的转化率在10%左右,而LED的效率高达60%,比荧光灯还高。第二个优点是需要的电压很低,几个伏特就行了。第三个优点是寿命长,白炽灯的寿命是一千小时左右,LED寿命高达十万小时(10年以上)。不过,LED目前用在家庭照明上还不多,主要原因是成本太高。

据说,LED效率的提高速度也遵从摩尔定律,也就是说,每过3年就提高一倍。而成本呢?据说每过10年一个流明的成本就降低10倍,而每个LED封装的亮度提高20倍,这个定律叫海兹定律(Haitz's law)。如果这个定律继续成立,到了2020年,LED光源将成为最便宜的光源,假如届时全世界都用上LED,全世界用于照明的耗电将减少一半。

2014诺贝尔物理学奖得主:日本物理学家赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和日裔美籍科学家中村修二(Shuji Nakamur)。CFP供图

仅仅为了节省一半照明用电,三位日本人也该获得诺贝尔物理学奖。

最后,我们引用诺贝尔物理委员会的颁奖理由:因为他们发明了蓝光LED,帮助了更亮和更节能的白光光源的出现。(编辑:Steed)

文章题图:photobucket.com

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【2014诺贝尔奖】物理学奖揭晓:蓝光LED照亮世界

热门评论

  • 2014-10-09 05:59 土炮

    这个话题的八卦点难道不是中村的物理功底不好么?

    当时半导体学的好的人根本不认为氮化镓的蓝光效率能做上去,中村不大懂这个,所以就他一个人搞了十年,没想到给做出来了。

    [6] 评论
  • 2014-10-08 19:28 科学二百五木头

    呃!!!这篇文章也太低估果壳网读者的知识储备和智商了!!!

    [3] 评论

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全部评论(11)
  • 1楼
    2014-10-08 14:28 D00弟

    蓝蓝的天、蓝蓝的光!

    [1] 评论
  • 2楼
    2014-10-08 14:32 None

    前两年就有蓝光LED要得诺奖的传言了

    [0] 评论
  • 3楼
    2014-10-08 19:28 科学二百五木头

    呃!!!这篇文章也太低估果壳网读者的知识储备和智商了!!!

    [3] 评论
  • 4楼
    2014-10-08 19:41 南风森琉璃
    引用@科学二百五木头 的话:呃!!!这篇文章也太低估果壳网读者的知识储备和智商了!!!

    同意,有点太科普,我正在找介于论文本体的难度和一般大众看得懂的科普文之间的诺奖介绍啊


    [1] 评论
  • 5楼
    2014-10-09 05:59 土炮

    这个话题的八卦点难道不是中村的物理功底不好么?

    当时半导体学的好的人根本不认为氮化镓的蓝光效率能做上去,中村不大懂这个,所以就他一个人搞了十年,没想到给做出来了。

    [6] 评论
  • 6楼
    2014-10-09 18:57 小魔牛创业者

    现在某宝上的LED球泡好便宜,我把店铺的节能灯都换成LED球泡了,爽

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-10-10 15:51 果壳乙烷
    引用@科学二百五木头 的话:呃!!!这篇文章也太低估果壳网读者的知识储备和智商了!!!

    因为首发于腾讯……

    [0] 评论
  • 8楼
    2014-10-11 23:38 科学二百五木头
    引用@举报狂魔XiaoE.T 的话:因为首发于腾讯……

    原来如此!!!


    [0] 评论
  • 9楼
    2015-02-22 14:27 玛雅_44404

    感谢,刚好懂,对于刚入门渴望了解的人有很大帮助。

    [0] 评论
  • 10楼
    2015-03-04 01:25 然之后

    所以,我们现在可以作出的另一个预言就是:

    本世纪我们的其中一项任务就是,将LED应用于家庭照明的成本降下来,让全世界都用上LED,届时全球的能耗将减少!

    [0] 评论
  • 11楼
    2015-07-12 08:49 半梦半醒半浮生_44278

    好深奥!不过物理真是太神奇了!


    [0] 评论

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李淼
李淼 理论物理学家

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