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换灯泡，得诺奖：２０１４年诺贝尔物理学奖介绍

2015-3-31 09:49

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２０１４年诺贝尔物理学奖的得奖工作是换灯泡。更具体地说，是用发光二极管（LED）来取代我们习以为常的白炽灯和荧光灯。

LED最明显的好处是节能。在同样亮度下，它的耗电量大约是白炽灯的二十分之一，荧光灯的四分之一。目前全球电力的百分之二十用于照明。所以“换灯泡”带来的电力节省是相当可观的。据估计，如果全中国都改用LED照明，节约的电力将比三峡发电量还多。而且因为LED灯泡的用电量低，在没有电网的地方可以用太阳能，风力等局部供电照明，改善边远地区民众和野外作业者的生活质量。

虽然LED目前价格仍然较贵，但它寿命长得多，不仅省下了换灯泡的材料费还大大节省了维护人工（二战时期，五角大楼每天要更换六千个灯泡）。而且LED灯可以随意控制亮度甚至颜色，开创了很多新的照明选项。除了常规照明外，LED还是很多现代彩色显示屏和仪表指示中不可缺少的部件。

LED的原理在四十年代就被发现了，商业化的LED到了六十年代也出现了。但是LED用于照明，却是九十年代才有的。为什么拖了那么久呢？原因是LED家族中缺少一位成员：蓝光LED。

照明通常需要白色光源，而LED的光色与其材料和结构有关，所以都是单色的。我们都知道，视觉上的白色（或其它任何颜色）可以用红，绿，蓝三种颜色的光来合成。所以蓝色光源对于白光照明来说是必须的。另一种产生白光的办法是用荧光材料。荧光材料可以吸收短波长的光，发出长波长的光。例如我们熟悉的荧光灯，就是通过荧光材料把汞蒸气发出的紫外光转变成白光。用这个办法，也需要波长在可见光低端（蓝色或紫色）的光源。

除了照明和显示以外，蓝光的短波长还有其它好处。例如，我们常用的储存介质CD和DVD都是用与LED机理相似的半导体激光器发出的激光来存取数据的。而激光的光斑大小是与波长成正比的。所以蓝光激光比红光的光斑小，在同样面积上可以储存的数据也多。所以蓝光光盘的储存量更大。

２０１４年的诺贝尔物理奖，颁给了高效率蓝光LED的发明者：日本名古屋大学的教授赤崎勇(IsamuAkasaki)、天野浩(HiroshiAmano)和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二(ShujiNakamura)。

既然蓝光LED如此举足轻重，那为何它却姗姗来迟，比兄弟们落后三十年呢？

原来，LED的发光原理是利用半导体的特性，而其发光波长与所用材料的性质有关。虽然理论上可以预计每种材料的发光波长，但要做成器件，还需要克服重重障碍。蓝光LED的发展就经历了这样一个曲折的过程。

蓝光LED的候选材料主要有两种：硒化锌和氮化镓。一开始，氮化镓不被人看好，因为它的晶格常数与衬底（蓝宝石）相差太远，要长成完美的晶体几乎不可能。然而，硒化锌被研究多年后，仍然未能成功。这是因为它虽然容易生长，但也有致命的弱点：这种晶体很脆弱所以寿命不长，而且对晶体缺陷很敏感。于是日本的几个研究者，也就是这个故事的主角，抱着“独辟蹊径”的想法，再次尝试氮化镓。从八十年代起，他们利用当时新出现的金属有机物化学气相沉积（MOCVD，又称金属有机物气相外延MOVPE）技术，长出了高质量的氮化镓晶体。在此基础上，他们又克服了掺杂，器件结构等难题，终于在九十年代初期制造出了商业化的蓝光LED。随后，基于类似技术的高亮度紫外光和其它颜色的LED也相继问世。“换灯泡”终于变成了现实。今天，基于这个技术制造波长更短的LED，仍是一个活跃的研究领域。

我们称蓝光LED的工作为“换灯泡”，不仅因为它和照明有关，也因为其中的技术挑战也与众不同。这个工作所需要的半导体理论和有关的材料性质都已经为人所知，所以“换灯泡”看来并没有非常亮丽的“技术含量”，只是个“力气活儿”。然而，在半导体这一行，知道理论和作出东西，特别是能商业化的东西，其中的距离何止千万里。这次得奖的三位蓝光LED发明人都是在日本作出的工作。他们科研的经历也许反映了教科书上不常见到，但在现实中却相当普遍的一种科研模式。在这里，我们就讲讲其中一个研究者中村修二的故事。

很多科研人员的职业诀窍是追逐热门，也就是关注，致力于公认重要的题目。而中村修二的经历却反其道而为之：选择冷门。

１９７９年，中村从一个日本二流大学——德岛大学（University of Tokushima）拿到电子工程硕士。他决定不到大公司去爬梯子，而是到了一个小城市四国，加入了一家小公司日亚（Nichia）。在那个２００人的公司中，只有三个研发人员，而中村是其中唯一的一个硕士。

中村一开始的工作是制造红光和黄光LED所需要的晶体。这是个惊险的工作，因为他的炉子经常会爆炸。幸运的是他至今毫发无损，而且练出一手焊接石英的绝活儿。

１９８５年，因为那些晶体销路不好，公司要求中村试制LED成品。经过三年的自学和摸索，中村创造了自己的工艺，制造出了质量优良的LED产品。但是一个小公司很难在拥挤的市场上得到立足之地。中村认为他们还是要走“冷门”路线。他说服了公司主管，得到三百三十万美元的研究经费，开始进军当时很少人问津的蓝光LED研发。

１９８８年，中村来到佛罗里达大学，跟一个研究团队学习当时新型的MOCVD技术。但是因为他没有博士学位，他们把他当作技术员，要求他组装起一台MOCVD机器。通过十个月，每周七天，每天十六小时的辛勤工作，他终于完成了这项任务，同时对MOCVD的技术和设备有了透彻的了解。

这个经历也使中村立志要拿到博士学位。为了多发论文，他又一次选择了冷门：不是研究“众望所归”的硒化锌，而是去啃氮化镓这个硬骨头。

首先要对付的，就是晶体生长的难题。因为氮化镓的晶体常数与蓝宝石衬底相差太大，直接生长的晶体会有很多缺陷。这时候，名古屋大学的研究团队（２０１４年同时得奖的赤崎和天野）发明了用氮化铝作为缓冲层解决晶体常数不配合的问题。中村沿着类似的思路，使用低温下生长的氮化镓作为缓冲，并且发明了使用两个垂直气流的双气流MOCVD技术，使得晶体生长环境更加均匀，进一步减少晶体缺陷。因此他在１９９１年得到了世界上性能最好的氮化镓晶体。

下一个难题是掺杂。为了得到所需要的性能，需要在一部分的氮化镓里掺入镁原子。但不知为何，掺杂总达不到预想的效果。１９８８年，名古屋大学团队的发现：用低能电子照射掺杂后的晶体，能提高掺杂的效果。１９８９年，他们制作出了第一个蓝光LED。１９９２年，中村经过文献搜寻和反复试验后认定：这说明是晶体生长过程中的氢离子在“捣乱”。他用更方便的退火方法赶走了氢离子，终于得到了想要的材料。

但是这时候的蓝光LED功率很小，效率也很低，还不能商业化。在九十年代，这两个团队采用了别人发明的“双异质结（doubleheterostructure）”技术（２０００年诺贝尔物理奖），也就是在两层氮化镓之间夹一层氮化铟镓材料（中间还有两层氮化铝镓）。这样把正负载流子集中到一起，提高了两者结合产生光子的机会。这也是当年时髦一时的“量子阱”技术的应用。另一个好处是：通过控制氮化铟镓中铟的含量，可以调整材料性质，产生不同颜色的光。可以预料的是，生长这样的结构不是容易的事。但通过中村发明的双气流MOCVD技术，他得到了很好的结果。在九十年代中期，中村与名古屋大学团队几乎同时作出了高亮度的蓝光LED和激光器。１９９９年，中村所在的日亚公司开始销售蓝光LED和蓝光／紫光固体激光器。今天，这个公司仍是这个巨大市场中的大玩家。“冷门”终于变成了主流。(后来中村将日亚公司告上法庭。２００５年和解的结果，日亚公司补发中村约九百万美元的“奖金”。)

开发这些技术的同时，中村发表了大量的论著，得到了博士学位。他的发表策略也是走冷门：很多文章发表在知名度不高的杂志上。这主要目的是避开公司的注意，免得引起知识产权的麻烦。２０００年，他终于踏入了学术界，成为美国加州大学圣塔芭芭拉分校的教授，主持一个蓝光LED研究中心。

中村的职业道路很有“日本特色”。他并非一开始就很有野心而只是把每件事做好，工作起早贪黑，搞定所有细节。先是十年练手打好了基础，然后十年磨一剑专攻一个难题，终于修成了正果。但是他也不是听天由命，无所追求的人。在苦心研发的产品不被市场认可，在公司的地位和价值受到同事质疑的状态下，他“拍案而起”，直接向大老板建议。然后用加倍的辛勤工作来报答公司给予的支持，终于证明了自己。其实也不光是日本人，整天干着平凡琐事科研人员在世界的哪里都是多数。但在这样的处境下能保持兢兢业业的心态，而且还不忘力求上进，这就可能有些文化因素了。

我们还记得上一年（２０１３年）的诺贝尔物理学奖，得奖工作是希格斯理论。那是个非常高明的想法，展示在一个高度简化的理论系统中，就大功告成。至于填入种种细节发展成精确描写基本粒子的标准模型，那就是另一回事了。而今年表彰的工作恰恰相反。基本的理论和技术都已经有了。但要作出商业化的产品，还有无数的细节要考虑。它也许不需要光彩耀目的天才，但需要几十年如一日的辛勤劳动积累的经验和技巧，无数参数调节和设备改进，不是毕其功于一役而是通过很多一步一个脚印的小进步终于达到目标。这两个工作的意义也成鲜明对比。寻找希格斯粒子是探索人类知识的新疆界。蓝光LED则是运用已知的物理原理和研究结果来制造有重大价值的产品。蓝光LED的研发过程中也积累了大量宝贵的知识，但那些大多数是只适用于某个具体系统的，不具有普遍意义。这个工作的意义在于它改变了人们的生活，而不是扩展了人们的知识体系。

可能会有这样的感觉：只有希格斯之类工作才是诺贝尔奖的对象。而蓝光LED应该属于工程而不是科学。但实际上，按照阿尔弗雷德·诺贝尔的原话，物理奖的对象是“在物理领域做出最重要的发现或发明的人”。其中的“发明”，也许就包括了重要产品或实用技术。事实上，诺贝尔物理奖也一直在平衡这两类工作。就拿近年来的奖项来说，双异质结二极管与集成电路（２０００），巨磁阻（２００７）以及光纤和CCD（２００９）都是应用型工作。２０１４年，不仅物理奖是应用型的，而且化学奖（超分辨显微技术）也是物理原理的应用。也许随着学科的成熟，应用型研究会在物理领域中占越来越重要的作用。

【附注】关于中村的故事在科学网上有很多讨论。有兴趣的读者可以搜索“中村　科学网”。

【附录】关于发光二极管（LED）的简单科普

我们可以把半导体理解为一个电影院。观众们都是懒人，如果有椅子坐就不愿意站起来（也就是说站着的人比坐着的能量高）。但他们可以从一个座位换到旁边的空位，不用消耗能量。

纯粹的半导体（称为本征半导体）相当于一个满座的电影院。虽然每个人（半导体中的电子）并没有被绑在椅子上，但因为没有空座，谁也不能移动。这种半导体是不能导电的。

但是通过在半导体里掺进微量杂质，我们可以减少一点人数。这样有了一些空位子，旁边的人就能换位过去，又空出位置给更远些的人。于是所有人都能移动了。（换一个角度看，也可以说是空位子在反方向移动。）这种有空位子的半导体称为P型半导体，它能传导电流。而掺进另一种杂质，可以增加人数。这样就有些没有座位而站着的人。他们反正是站着，就可以自由移动。这种有多余人（电子）的半导体称为N型半导体。它也能传导电流。

当两种半导体相遇时，接触点上N型中多余的人就会坐到P型中多余的座位上。这样能量降低了，多余的能量就转化成了光。这就是LED发光的原理。这样的接触点就称为PN结。PN结不光是LED，也是所有半导体器件（如二极管，三极管）的关键结构。当然，要持续发光，就需要不断补充多余的人和空座。这就需要外接电源提供能量。

要造出好的LED，首先要造出有效的N型和P型半导体。对于氮化镓，它本身的晶体缺陷就造成了N型材料，这没有问题。但制造P型材料却一直很困难，直到今年的得奖者发明了电子照射和退火的方法来赶走捣乱的氢离子。这样PN结就有了。当然，要让人和空椅子快速移动（从而在PN结上一直有更快的人／椅结合），电影院不能有很多柱子，栏杆那样的障碍。也就是说，半导体晶体不能有太多的缺陷。中村发明的双气流MOCVD技术，就大大减少了缺陷的浓度。最后，他们采用的双异质结的结构，相当于把站着的人和空位子都引导到一个较小的空间，让它们相遇的机会大大增加，也就提高了LED发光强度。

对于还想深究的读者，也许下面的解释有些用处：

半导体里的电子有两个能带，之间有一定的间隔（成为禁带）。低能量的能带相当于坐着的人，高能量的相当于占着的人。电子有个泡利不相容原理，相当于一个座位只能坐一个人。本征半导体中的电子正好填满低能带，而高能带是空的。P型半导体的低能带有些空位（成为空穴）。N型半导体的低能带是填满的，而在高能带上有些电子。电子要从低能带跳到高能带就需要一定的能量（等于禁带的宽度）。这在室温下很少发生。而当高能带上的电子与低能带上的空穴结合时，就会释放能量，形成光子。光子的波长是由禁带的宽度决定的。

参考文章：

诺贝尔委员会官方科学介绍　http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/advanced.html科学背景介绍中文译文：http://www.semi.org.cn/news/news_show.aspx?ID=39305&classid=125

《科学美国人》２０００年关于中村的故事　http://www.scientificamerican.com/article/blue-chip-2000-07-05/

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