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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[2014诺贝尔]蓝光将照亮世界  

2014-10-08 17:00:17|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

作者:李淼

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,日本三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。”

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(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方面的贡献,即蓝色发光二极管(LED)。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,而三位日本人的功劳是发现发出蓝光的二极管。

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。让我们期待五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。

LED的历史

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。

又过了六年,1961年,美国人毕亚德和皮特曼(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。再过十年,也就是1972年,第一个黄光LED被发现,同时,LED的亮度被提高了十倍。

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。上世纪六十年代末,快四十岁的时候,他开始研究基于氮化镓基础上的蓝光LED。80年代,高质量的氮化镓的出现帮助他研究出实用的蓝光LED,此时,他的学生天野浩加入了他的团队。在三人当中,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(十年以上)。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,每过三年就提高一倍。而成本呢?据说每过十年一个流明的成本就降低十倍,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。

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。

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本文首发于腾讯《大家》经作者授权转载,

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