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【2014诺贝尔物理奖特别报导】蓝光─把崭新的光明带到世界的


2020-06-11

【2014諾貝爾物理獎特別報導】藍光─把嶄新的光明帶到世界的角落 【2014诺贝尔物理奖特别报导】蓝光─把崭新的光明带到世界的

LED (图片来源:维基百科)

今年诺贝尔奖颁给了赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)、和中村修二(Shuji Nakamura),得奖的理由为发明新颖、环保­、节能、蓝色发光二极体(LED),诺贝尔奖的精神是要把奖项颁给对全人类有最大获益的发明。使用蓝色发光二极体(LED),就能用全新的方式製造白光。而LED灯的问市,使得人们现在有比以往的照明设备更加节能的选择。

当赤崎勇、天野浩、和中村修二在十二月初抵达斯德哥尔摩(瑞典首都)参加诺贝尔颁奖典礼时,他们很难不去注意到他们的发明正遍及在此城市里的所有窗口。白色LED灯发散出的亮白光线,既持久又节能。不仅如此,不像萤光灯,它们不含有毒的水银。

绿色和红色的发光二极体大约半个世纪前就存在了,但直等到蓝色发光二极体被发明出来,照明技术才有真正革命性的发展。因为只有红、绿、蓝色这三种颜色的光合而为一才能够产生为我们照耀世界的白色光。儘管科技业界及学界投注了大量的心力,蓝色发光二极体的研发仍花了30年的时间。

【2014诺贝尔物理奖特别报导】蓝光─把崭新的光明带到世界的赤崎勇与天野浩是名古屋大学的同事;中村修二则发迹于日本德岛的一家小公司─日亚化学工业公司。当他们三人所研发的二极体终于产生高亮度的蓝色光以后,就引发了光电科技的全面变革。可以说,照亮20世纪的是白炽灯,照亮21世纪的是白色的LED灯。

节省能源与资源

一个发光二极体,是由好几层的半导体物质所构成的。在LED里面,电直接被转化成光(光子),与其他光源相较更为节能,因为其他的光源将大部分的电转换成热能,只有少部分的电转换成光。白炽灯也好,卤素灯也罢,都是使用电流加热灯丝来发光。之前被称为节能灯具的萤光灯,则是藉由电来激发气体,进而产生光和热。在LED灯问世后,萤光灯的节能称号便拱手让出。

因此,相较于以往的照明设备,新的发光二极体仅需少许的能量。今日,LED灯还在持续不断地改良,只为追求更加节能,让每单位输入电能所达到的光通量愈来愈高。关于一颗LED灯的最新记录是每瓦300流明(300 lm/W),相较之下,一般白炽灯泡只有每瓦16 流明,日光灯管顶多每瓦70流明(瓦是电功率的单位,流明则是光通量的单位)。由于全世界的用电量中有四分之一用于照明,LED灯的贡献就是大大节省世界的能源。

【2014诺贝尔物理奖特别报导】蓝光─把崭新的光明带到世界的

发光二极体的原理- LED(左上) 与蓝色LED灯图示。

LED灯也比其他照明设备长寿。在灯丝被烧坏前,白炽灯可以使用约1千个小时,萤光灯则为1万个小时,而LED灯可以使用约10万个小时,因此使用LED灯能让物料的耗损显着地缩小。

从半导体中产生光

LED科技与当今的行动电话、电脑和所有依据量子现象的电子装置,有着相同的工艺。发光二极体掺杂数层半导体材料:n型层的多数导电粒子为带负电荷的电子,而p型层则缺少电子,其多数导电粒子为被描述成带有正电荷的电洞。

在这两者之间是一个活性层,当半导体通上电以后,就会驱动在其间带有负电荷的电子与带有正电荷的电洞。电子和电洞相遇时就会重新结合并发光。至于光的波长则完全要看半导体的材质。用七彩的彩虹来观察,蓝光属于短波光的一端,所具能量较高,只有某些物质能产生蓝光。

历史上第一个描述半导体发光的情形,出现在亨利.朗德(Henry J. Round)1907年的记载,他是1909年诺贝尔奖得主古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)的同事。之后在1920、30年代,苏联的奥列格·罗赛夫(Oleg V. Losev)进行了更进一步的半导体发光研究。但是朗德和奥列格缺少了真正了解这种现象的知识。要等到数十年后建立起电致发光的理论时,才为此种现象提供必要的理论说明。

在1950年代末叶就已发明红色的发光二极体。这些LED被用在电子錶和电子计算机上,或是用在不同的装备上显示电源开关的状态。科学家在非常早期就已看出为了製造白光,需要发明具有短波长、高能量光子的蓝色二极体。许多实验室都尝试过,但是都失败了。

挑战常规

这三位获奖的科学家挑战旧有所谓的「真理」;他们努力工作并冒了极大的风险。他们自己建造设备,学习这领域的科技,并进行了数千次的实验。儘管他们大部份的时间都失败了,但他们并没有因此绝望;这是实验者精神的最高境界。

赤崎勇和天野浩选用氮化镓作为製造蓝光的材料,中村修二也选择同样的材料,他们的努力最终获得了成功,只因走在他们之前所有的失败者都没有使他们心生动摇。在此项研究的早期,研究者认为这项材料比较适合拿来生产蓝光,但是实际操作起来却非常困难,因为要在其上製造合适的表面让氮化镓生长结晶,咸认是一项不可能的任务。除此之外,在这个材质上也几乎不可能产生p型层。

但是,赤崎勇还是坚信先前的经验,认为选用这个材料是正确的,便继续和当时正在攻读博士的天野浩一起研究。在日亚化学工业任职的中村修二也选择了氮化镓而非硒化锌(那时其他人认为选用硒化锌成功的希望比较大)。

【2014诺贝尔物理奖特别报导】蓝光─把崭新的光明带到世界的

(图片来源:维基百科)

「要有光」

在1986年,赤崎勇和天野浩首次成功产生高品质的氮化镓结晶,他们放置一层氮化铝在蓝宝石基板上,然后在最上面生成高品质的氮化镓结晶。直到1980年代晚期,他们在产生p型层上有了重大的发展。赤崎勇和天野浩误打误撞地发现,他们的材料在放射性扫描电子显微镜之下,会更加剧烈地发光。这意味着显微镜的电子束让p型层运作得更有效。到了1992年,他们展示出第一个能照射出亮蓝光线的二极体。

中村修二在1988年开始研发他的蓝色LED。二年后,他也成功地生成高品质的氮化镓。他发现一个聪明的方法来生成结晶:他先在低温下生成一抹薄薄的氮化镓,之后将温度升高来生成后续的其他薄层。

中村修二同时可以解释为什幺赤崎勇和天野浩可以成功产生p型层:电子束移除防止P型层形成的氢。中村修二自己则用了更简单更便宜的方法来取代电子光束:他在1992年,藉着加热所使用的材料,使他产生能运作良好的p型层。因此,中村修二的所採取的解决方法和赤崎勇和天野浩并不相同。

在1990年代,这两个研究的团队也成功地进一步改良蓝色LED,使它们更有效能。他们使用铝或铟,来与氮化镓铸造成不同的合金,发光二极体的构造也变得更複杂。

赤崎勇和天野浩一起,还有中村修二,都发明了蓝光雷射,而大小如沙粒般的蓝色LED是其中重要的元件。蓝光雷射与LED四散的光线不同,会发射一道锋利的光束。因为蓝光的波长很短,可以更紧密地聚合在一起;若在同样的区域,蓝光可以比红外线光储存多4倍的资讯。蓝光雷射增加储存容量的优异能力,旋即促使人们发明有更长播放时间的蓝光光碟,也促进人们发明更好的雷射印表机。

很多家用的装置也都配有LEDs。电视、电脑、手机配有LED萤幕,相机也有LED提供光源和闪光。

【2014诺贝尔物理奖特别报导】蓝光─把崭新的光明带到世界的

LED灯只需要更低的电力就能比其它的灯发出更亮的光。灯泡的效能是以每一单位的电功率(单位为瓦)所产生的光通量为评判标準。由于世界上的电力大约有四分之一用于照明,使用高度节能的LED灯就能协助节省地球上的资源。

光明的解决之道

三位得奖者的发明在照明科技这个领域上引领了突破性的大变革。更新颖、更节能、更便宜、更聪明的灯泡还在不断研发当中。白色的LED灯有两种不同的製造方式。方式一是使用蓝光去刺激磷光体,使其同时激发出红色和绿色的光;当所有的光聚集在一起,白光就产生了。另一个方法是把灯设计成结合红、绿、蓝这三种颜色的LED灯,让眼睛自己去把这三种色光揉合成白光。

因为LED灯有如此大的弹性,早已广泛应用在照明的领域-可以製造出数百万种不同的色光;光的颜色和亮度可依需求做变化;五彩缤纷的光板,面积可达好几百平方公尺,既可闪光,也可改变颜色和花色;而且所有这些都可以用电脑控制!这个可以控制光的颜色的可能性,也意味着LED灯可以複製自然光的变换,也可依照我们的生理时钟变换颜色。使用人照光来进行温室栽种如今也已经实现。

当提到可能可以藉由LED灯,为超过15亿活在无电缆系统的人们增加生活的品质时,LED灯代表的是美好的愿景,因为这种灯源耗电量低,只需当地便宜的太阳能发电就能使人享有光明。此外,使用紫外线LED灯就可以把受汙染的水消毒,而这又是继发明蓝色LED后的一大杰作。

蓝色LED问世虽然只有20年,但早已在创造白光一事上居功至伟,并以全新的方法造福世界上的每一份子。


本文译自诺贝尔化学奖委员会公布给大众的新闻稿:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/popular-physicsprize2014.pdf


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