簡介
2014年諾貝爾物理學獎揭曉。因發(fā)明“高亮度藍色發(fā)光二極管”,日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二共獲殊榮。發(fā)光二極管的英文簡稱是LED,對于這個詞,大多數(shù)國內(nèi)讀者應不會陌生,因為LED燈已大量應用于我國室內(nèi)外照明等領域,逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明設備,成為節(jié)能、環(huán)保、智能化照明的代表。
1973年,在松下電器公司東京研究所的赤崎勇開始了藍光LED的研究。后來,赤崎勇和弟子天野浩在名古屋大學合作進行了藍光LED的基礎性研發(fā),1989年首次研發(fā)成功了藍光LED。1993年,在日本日亞化工(Nichia)工作的中村修二成功把氮滲入,發(fā)明了基于寬禁帶半導體材料氮化鎵(GaN)和銦氮化稼(InGaN)的具有商業(yè)應用價值的藍光LED,從而引發(fā)了照明技術革新,這類LED在1990年代后期得到廣泛應用。
在中村修二研制成功突破性的藍光LED技術之后,日亞化學剝奪了他的專利權,根據(jù)日本傳統(tǒng),員工必須為公司犧牲一切,對公司而言,科學家和工程師就跟普通的員工沒有什么兩樣,因此也根本不可能跟他們簽訂類似美國公司中那種規(guī)定個人科研成果的利益分成協(xié)議。當時日亞化學公司付給中村修二有關他發(fā)明藍光LED的獎金僅有區(qū)區(qū)2萬日元,按照當時的匯率約為200美元。于是在2001年,憤怒的中村修二將自己的雇主告上法庭。最終法院裁決日亞化學公司應當支付給中村修二200億日元,按照當時匯率約合2億美元的費用。這一巨大的金額震驚了當時的日本社會,但法院認為這一判決是相當公正的,因為他們評估后認為中村修二的發(fā)明成果至少價值600億日元(約合5.8億美元)。但當事方日亞化學公司不服裁決并向高等法院提起上訴,最終歷經(jīng)4年拉鋸戰(zhàn),高等法院最終裁定日亞化學公司償付中村修二8.4億日元,按當時匯率約折合810萬美元的費用。中村修二無奈接受了這一結(jié)果。
功能
正是由于藍色LED的發(fā)明為人類帶來新“光明”,今年諾貝爾物理學獎授予了三位為LED照明起到奠基作用的科學家。
值得一提的是,中村修二與上海科研機構有著密切合作。作為國家半導體照明應用系統(tǒng)工程技術研究中心顧問、復旦大學兼職教授,他推動了LED在上海世博會的應用,并正在幫助上??蒲袌F隊研發(fā)半導體藍色激光器,為新一代“激光電視”提供核心部件。
年僅“20歲”的發(fā)明
據(jù)國家半導體照明應用系統(tǒng)工程技術研究中心副主任楊衛(wèi)橋介紹,紅色、綠色發(fā)光二極管在上世紀中葉已經(jīng)問世,但要把發(fā)光二極管用于照明,必須發(fā)明藍色發(fā)光二極管,因為有了紅、綠、藍三原色后,才能產(chǎn)生照亮世界的白色光源。遺憾的是,藍色發(fā)光二極管的制備技術困擾了人類30多年。
上世紀80年代,在日本名古屋大學工作的赤崎勇和天野浩選擇氮化鎵材料,向藍色發(fā)光二極管這個世界難題發(fā)起挑戰(zhàn)。1986年,兩人首次制成高質(zhì)量的氮化鎵晶體;1989年首次研發(fā)成功藍光LED。
從1988年起,當時在日亞化學公司工作的中村修二也開始研發(fā)藍光二極管。與兩位日本同行一樣,他選擇的也是氮化鎵材料,但在技術路線上并不相同。上世紀90年代初,中村修二也研制出了藍色發(fā)光二極管。與名古屋大學團隊相比,他發(fā)明的技術更簡單,成本也更低。
至此,將LED用于照明的最大技術障礙已被掃除,被譽為“人類歷史上第四代照明”的LED燈呼之欲出。
按照諾獎評選委員會的說法,這項只有“20歲”的“年輕”發(fā)明之所以獲獎,是因為這種用全新方式創(chuàng)造的白色光源已經(jīng)“讓我們所有人受益”。“他們的發(fā)明具有革命性,”聲明說,“白熾燈點亮了20世紀,21世紀將由LED燈點亮。”
與白熾燈、熒光燈相比,LED能耗更低,壽命更長,而且可實現(xiàn)智能化操控,是節(jié)能環(huán)保的“綠色照明”。因此進入市場后,呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。國家半導體照明應用系統(tǒng)工程技術研究中心經(jīng)理楊潔翔介紹,我國2010年的LED產(chǎn)值是700多億元; 而到了2013年,全年產(chǎn)值猛增到5000多億元。家庭、辦公、道路等各種場所的照明以及絢爛的景觀燈光,這些市場“主力軍”如今都是LED。“前幾年談到LED,我們需要對公眾進行科普,現(xiàn)在家里裝修,老百姓都會考慮買這種比傳統(tǒng)節(jié)能燈更節(jié)能的燈具。”
特點
節(jié)能、壽命長、亮度高
構成原理
發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學系統(tǒng)組成。其發(fā)光過程包括三部分:正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中,當電子經(jīng)過該晶片時,帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復合,電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大,產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應,可見光的頻譜范圍內(nèi),藍色光、紫色光攜帶的能量最多,桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙,從而能夠發(fā)出不同顏色的光。
1973年,在松下電器公司東京研究所的赤崎勇開始了藍光LED的研究。后來,赤崎勇和弟子天野浩在名古屋大學合作進行了藍光LED的基礎性研發(fā),1989年首次研發(fā)成功了藍光LED。1993年,在日本日亞化工(Nichia)工作的中村修二成功把氮滲入,發(fā)明了基于寬禁帶半導體材料氮化鎵(GaN)和銦氮化稼(InGaN)的具有商業(yè)應用價值的藍光LED,從而引發(fā)了照明技術革新,這類LED在1990年代后期得到廣泛應用。
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