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秋上庭廊月徊林

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神说:“要有光”,就有了光。——《圣经》  

2014-10-08 07:55:12|  分类: 秋窗品茗 |  标签: |举报 |字号 订阅

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神说:“要有光”,就有了光。——《圣经》 - zw - 秋上庭廊月徊林

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)。根据阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱:诺贝尔奖授予那些对全人类的福祉作出重大贡献的成就,通过蓝色LED技术的应用,人类可以使用一种全新的手段产生白色光源。相比旧式的灯具,LED灯具有更加持久且高效的优点。

红色与绿色发光二极管已经伴随我们超过半个世纪,但我们还需要蓝光的到来才能彻底革新整个照明技术领域,因为只有完整的采用红,绿,蓝三原色之后,我们才能产生照亮我们世界的白色光源。但尽管工业界和学界付出了巨大的努力,但产生蓝色光源的技术挑战仍然持续了超过30年之久。

当时,赤崎勇和天野浩在日本名古屋大学工作,而中村修二当时则在位于四国岛上的德岛市内一家名为“日亚化学”(Nichia Chemicals)的小公司工作。当他们通过半导体产生出蓝色光源时,照明技术革命的大门打开了。白炽灯照亮了整个20世纪,而21世纪将是LED灯的时代。

一个发光二极管由数层半导体材料构成。在LED灯中,电能被直接转换为光子,这大大提升了发光的效能,因为在其他灯具技术中,电能首先是被转化为热,只有很小一部分转化成了光。白炽灯和卤钨灯一样,电流被用于加热一根灯丝,从而实现发光。 在日光灯管中(此前这种灯泡曾经被称为低耗能灯泡,但随着LED灯技术的出现,这一名称失去了意义),气体进行放电,在此过程中同时发热并发光。

因此,新型的LED灯相比旧式的灯具,实现相同发光效率所消耗的能源就要低得多。另外,LED技术目前仍在不断被改进,其发光效率还在不断提升。最新的记录已经突破了300流明/瓦,而一般的灯泡这一指标是16,日光灯则是70。考虑到目前全球有大约1/4的电力用于照明目的,高效节能的LED灯技术对于全球的节能工作具有重大意义。

LED技术与手机,电脑,以及所有其他基于量子现象原理的现代技术一样,源于同样的工程技术手段。一根发光二极管内包括几个分层:n层带有多余负电荷,p层则电子数不足,你也可以将其理解为这里存在多余的带有正电的空洞,或“正电穴”。

在它们之间是一层活动层,当向半导体施加一个电压,就会驱动带负电的电子层与正电穴层之间的相互作用。当电子与正电穴相遇,两者就会结合并产生光线。这一过程产生光线的波长完全取决于半导体的性质。蓝光波长很短,只有某些特定材料可以产生这一波长的光线。

历史上最早使用半导体实现发光的报道见于1907年,由1909年的诺贝尔奖获得者,无线电与电报发明者马可尼的同事亨利·罗德(Henry J. Round)实现。随后在1920年代和1930年代,苏联的奥列格·罗塞夫(Oleg V. Losev)对发光原理进行了详尽考察。然而不管是罗德还是罗塞夫,他们都缺乏能真正理解这一现象所需的知识。人们还需要等待数十年的时间,直到电致发光原理提出之后,事情才有了真正的进展。

1950年代末,红色发光二极管被研制出来。它们被应用在了电子手表以及计算器等设备之中,或是作为各种电子设备的开关提示器。在这一技术的发展初期,人们便已经清楚的意识到需要研制一种具有更短波长,因此也具有更高光子能量的二极管,以便实现白色光源。很多实验室为此进行了努力,但最后都以失败告终。

今年的诺贝尔奖获奖者们决定挑战这一难题,他们为此进行了艰苦的工作并承担巨大的风险。他们自己建造了所需要的设备,学习有关技术并进行了数千次的实验。大多数时候他们都失败了,但这并没有让他们丧失信心,这是一个实验室最宝贵的品质。

氮化镓是赤崎勇,天野浩与中村修二不约而同选定的材料,并最终取得了成功,尽管在此之前所有的人都失败了。这种材料被认为适合用来产生蓝光,但在实际工作中面临的困难是巨大的。

从来没有人能够从氮化镓晶体中获得足够高质量的光源,因此使用这种材料开展实验简直就是一种毫无希望的努力。另外,几乎没有办法在这种材料中布置所需要的p层结构。

然而,基于先前所做实验的结果,赤崎勇坚信他们对于材料的选择是没有错的,并继续与天野浩一同努力工作,后者当时还只是名古屋大学的一名博士研究生。而此时在四国岛的中村修二同样在氮化镓和硒化锌两种备选材料中选择了前者,尽管当时大多数人认为后者更有希望取得成功。

1986年,赤崎勇和天野浩首次制成高质量的氮化镓晶体,他们所采用的方法是在蓝宝石衬底上涂上一层氮化铝材料,并在上面生长氮化镓晶体。几年后,到了1980年代末,他们在创设p层的工作上取得突破性进展。当赤崎勇和天野浩在扫描电镜下观察培养出的氮化镓晶体时,他们无意间注意到在用电镜观察时晶体的发光强度似乎增强了,这说明扫描电镜产生的电子流能够提升p层的效率。到了1992年,他们终于制成第一个发蓝光的二极管。

中村修二从1988年开始研制他的蓝光LED。两年之后,他同样成功制成了高质量的氮化镓晶体。他找到了一套聪明的办法来制作高质量晶体——先在低温下生长薄薄一层氮化镓晶体,随后在稍高的温度下继续进行晶体培养。

中村修二甚至还知道为何赤崎勇和天野浩的p层能够成功:那是因为电子流去除了阻碍p层形成的氢原子。中村修二采用了一种更简单,更聪明也更便宜的方法:对材料进行加热。通过这种方式他在1992年成功的制成了具有完善功能的p层。因此,可以看到中村修二采用的技术方案与赤崎勇和天野浩的方案是不同的。

1990年代,两个研究组都在对LED技术的持续改进工作中取得很大进展,使该技术更趋完善。他们研制了不同的氮化镓合金,掺入了铝和铟,而LED的结构也变得愈发复杂精细。 赤崎勇,天野浩以及中村修二还发明了一种蓝色激光器,其中的核心部件正是一个沙粒大小的蓝光LED组件。但与一般的LED发出发散的光不同,蓝光激光器发出锐利的聚焦光束。由于蓝光的波长很短,其可以被压缩到更高的密度,相比红外光,蓝光可以存储多出4倍的信息。这一技术很快衍生出了存储能力更强的蓝光光盘以及更高质量的激光打印机设备。 很多家用电器中同样采用了LED技术。比如电视机,计算机以及手机的LED屏幕,还有无数的灯具和相机闪光灯。

今年三位诺贝尔奖得主的发明导致了照明技术领域的革命。由于他们开发的技术,大量更加高效,更便宜,更智能的照明设备正在被开发出来。白光LED可以采用两种方法制作。一种方式是采用蓝光来激发荧光体,导致后者发出红色与绿色光源。当所有色彩光源具备之后便可以得到白色光。另一种方式则是直接采用红绿蓝三种LED光源同时发光,让我们的眼睛自己将它们合成为白色光。

可见,LED灯是可以非常灵活运用的光源技术,从中已经衍生出数百万种不同色彩的光源,根据需要的不同,你可以合成各式各样的色彩和亮度。面积达数百平米的屏幕,闪烁,变换色彩与图形,而且这一切都可以用计算机进行控制。对光线色彩的控制还意味着LED灯可以模仿自然光源,让我们的生物钟能够更好的适应。而在人工温室内使用人工照明的方法也已经成功进行了实践。

LED照明技术的出现还将有望为全球多达15亿的人口送去光明。由于贫困和缺乏电网设施,这些人口无法享受照明设备带来的便利,但借助LED灯的低能耗,这些人口未来将有望使用小型太阳能电站产生的电力实现照明。另外,污染的水体可以使用紫外光LED灯进行消毒,它同样是蓝光LED技术的衍生品。蓝光LED技术的出现只是短短20年前的事情,但它带来了白光照明,为整个人类社会创造福祉。

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