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标题: 蓝光LED与日本人的执着 [打印本页]

作者: linda 时间: 2014-10-10 21:17 标题: 蓝光LED与日本人的执着

直到生理医学奖公布的前两天我才开始关注今年诺奖的颁布。我知道，反正有人会提醒我关注诺奖，提醒我“预言”一下诺贝尔物理学奖将花落谁家。

　　造成这种局面当然不是因为我是一个了解所有物理领域的专家，可以肯定地说世界上没有一个活着的人会了解物理学所有领域。真正的原因大概有两个，之一是，过去数年间我喜欢在诺奖公布前做一下“预言”；原因之二是，在过去的2008年、2011年和2013年我都猜中了。

　　我当然不了解所有领域，有几年我没有猜中或者干脆放弃猜测。我猜中和放弃猜测的原因是一样的，因为我知道诺贝尔物理学奖在近二十年来有一个不成文的规则，每五年是一个周期，分别奖给以下五个领域：粒子物理学、光物理、凝聚态物理、宇宙学、原子分子物理。轮到凝聚态物理和原子分子物理，我就放弃猜测。

　　十月六日，我在微博上写道：“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。”

　　今年的诺贝尔物理学奖又被我猜中也不是什么稀奇的事。当然，为了保险，我一共猜了两个，第一个是超颖材料，也就是负折射率材料，这种材料是过去十五年物理学研究中发展最快的领域之一，如果不是唯一。第二个就是LED，即发光二极管。

　　我猜到了LED，却没有猜中是三个日本人获奖，当然，事先是知道中村修二得奖的机会很大，另外两个日本人可能得奖，也可能不得。

　　除了物理学，我还喜欢猜测谁会获得诺贝尔文学奖，这是极为困难的一件事，所有人都同意文学不像科学那样“硬”，谁得都有可能。但文学是几乎所有人都关心的事，猜测一下很有娱乐性。

　　回到物理学奖，今年获奖的研究是发光二极管。二极管是一个比较“古老”的东西了，由半导体制成，在施加电压之后有单向导电性。我们小时候很熟悉这种器件，二极管是自制半导体收音机时必须用到的。它是半导体制成的一种“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。为什么是单向导电呢？因为它由两种不同特性的半导体构成，其中一种半导体内的电子是自由的，而另一种半导体内的电子空穴（带正电）是自由的。如果运气好，在加上电压后，一端的电子跑到另一端与空穴“湮灭”，释放出的能量以光的形式发射出来，这就是发光二极管了，英文简称LED，light-emitting diode。

　　LED被发现了至少半个世纪，按照文字记载，甚至有了一个世纪，只是在过去的半个世纪中，LED被认识到有应用价值。最简单的应用就是电视遥控器上的那个红外光发射灯，这种红外LED也是最早被发现的，1961年被注册专利，1962年就商业生产了。

　　紧接着红外LED，红光LED就被发现了，是1962年的事。接下来，人们花了十年时间才找到黄光LED。同时，蓝光LED也被发现，只是亮度很低，没有实际价值。

　　这就要谈到名古屋大学的赤崎勇教授，他是今年三位获奖人中年纪最大的，85岁了。他在35岁才获得博士学位，快四十岁的时候才研究蓝光LED，那是六十年代末。这事被一度搁置，直到80年代随着更好的氮化镓的出现，他重新捡起老行当继续研究蓝光LED，那时，他的学生，另一名诺奖获得者天野浩加入了他的团队。虽然赤崎勇在1981年就重新捡起蓝光LED，真正的突破是他和天野浩在1989年做出来的，此时，赤崎勇已经60岁了。因此，这位先生带给我们的教训就是，不要忘记你最想做的事，要一直做下去。

　　江湖上故事比较多的是中村修二，是他的发现将蓝光LED真正带到商业应用中。

　　中村出生于1954年，23岁毕业于德岛大学（你可能不会知道德岛在哪里，这是一个位于四国，与大阪隔海相望的城市），两年后获得硕士学位进入位于德岛的日亚化学工作，那是1979年，距他做出重要发现还有14年。他在日亚的主要工作是开发磷化镓，这是一种可以用来制造LED的晶体。当时，日亚不像现在这么富有（现在的富有当然是因为蓝光LED），中村修二的条件很艰苦，石英管都需要自己焊接，经常制造爆炸事件，就这样他辛苦地做了三年。

　　接着他开始生长砷化镓，这也是一种制造LED的材料，同样需要自己艰苦地焊接石英管，一做又是两年。从1985年起，中村开始研发铝砷化镓。所有这些材料制造出来不是用来自己做LED的，而是卖给别人，这么做当然效率太低，中村决定自己做LED，也成功了。这还远远没有到中村研制出高亮度蓝光LED。到了1992年，中村从美国学习回来，开始专注改进蓝光LED，这里面有许多有趣的故事，例如他瞒住公司发表论文，慢慢地将蓝光LED的亮度提高到一个坎德拉（光强国际单位，candela，是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为540×10的12次方赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。）。

　　在成功研发出基于氮镓铟的高亮度LED后，中村又研制出蓝光半导体激光器。现在，中村手中握有超过一百项的专利。

　　从中村修二和赤崎勇的故事我们能学到什么？日本人是人所共知的非常倔强的民族，我多年前和他们中的一些物理学家打过交道，切身体会过他们认死理的性格。这种认死理的性格让他们在西方人不能获得成功的地方获得了成功，高亮度蓝光LED一向被认为是很难找到的，赤崎勇和中村修二就找到了，一个从六十年代末工作到九十年代初，一个从八十年代初工作到九十年代，而且，中村修二现在还在加州大学继续工作。一个人一辈子能做的事情确实不多，所以才要认死理，看准一件事情做下去，今年做不到那么明天再做，明天做不到后天休息一会儿以后再做。

　　关于中村还有一个有趣的故事。据说，中村发明蓝光LED的时候，日亚化学给他的奖金只有两万日元，相当于两百美元。另一种说法是，1999年中村离开公司的时候，日亚试图用六千万日元（相当于六十万美元）买断中村所有的发明。反正，中村不服气，2001年开始和日亚打官司，将日亚告上法庭，法庭裁决日亚应该支付中村两百亿日元，这可是一大笔钱，约为两亿美元。日亚不服，2005年，双方最后以八亿四千万日元（九百万美元）和解。很多人一直误以为中村获得了数十亿美元，其实只有九百万美元。有人说，这也许是中村一怒之下离开日本去美国的原因。

　　不管怎么样，加州大学圣芭芭拉分校将中村当作一个宝。2009年，《环球科学》刊登了中村修二自己和科学史专家赖尔登写的一篇文章。在文章中，作者开篇就提到，当中村的实验室制造出廉价的绿光激光器的时候，校长杨祖佑亲自赶到实验室去观看。有趣的是，在这篇文章中作者写道：“蓝色发光二极管本身并不是一个巨大的革命，但日本日亚化学、索尼和其他一些公司在制作蓝光播放器时都陷入了困境。这些二极管的传统制作方法存在着一些固有的缺陷，成品率低、成本高。”从这段话我们看出，中村并不满意他十年前的成就，一直在制造更多的东西。

　　最后，我们谈一谈为什么今年的诺贝尔物理学奖或颁给发明蓝光LED的人。首先，仅仅有红光、黄光LED人们还造不出白光LED，有了蓝光LED之后，不论是利用三原色原理还是用蓝光产生波长更长的光，白光LED的出现就是自然的了。其次，高亮度的LED给实际应用打开了门窗。现在，LED已经进入了普通家庭，其发光效率和寿命远远高于白炽灯。

　　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。

　　所以，有人说，白炽灯灯照亮了二十世纪，LED将照亮二十一世纪，这话肯定是对的。

　　有人抱怨近年来诺贝尔奖有点偏向应用，其实这是一种误解，诺贝尔奖在历史上向来只颁给两类发现和发明，一类是发现了新的物理现象和机制，一类是有巨大应用的发明。前者不用举例了，后者我们可以找到第一个物理学奖获得者伦琴，因为慢中子获奖的费米，发现核磁精密测量的人，晶体管的发现者，等等。

　　最后，我想说，不论是诺奖也好，还是人生中的其他荣誉也罢，它们只会落在那些一根筋人的身上，而日本人在这一点上值得我们学习。■

　　作者为著名科普作家、理论物理学家，中山大学天文与空间科学研究院院长

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