白炽灯点亮了20世纪,21世纪注定将是LED(发光二极管)灯的天下。
北京时间10月7日下午5点45分,2014年诺贝尔物理学奖揭晓,日本及美国三位科学家赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)获奖。获奖理由是“发明了高效蓝光二极管,带来了明亮而节能的白色光源”。
呼声很高
早在颁奖之前,复旦大学物理学系教授施郁就在猜测是否会将今年的奖颁发给LED,“很多其他重要应用成果都得奖了,而LED还没有”。
全球四分之一的电能用于照明。而传统的白色光源在环保以及效能和明亮度上都越来越受到诟病。一直以来,寻找一种更持久更高效的方式来代替旧有的光源,成为众多研究者追逐的目标。
红色和绿色二级管早已存在,但是若没有蓝光,就无法制造白色灯管。虽然有很多人为此努力,但在科学界和工业界,30年来蓝光二极管一直是个重大挑战。
直到上世纪90年代早期,当赤崎勇、天野浩和中村修二从半导体中制造出明亮蓝色光束时,他们为制光技术触发了根本性转变。利用蓝光二极管,白光可通过新的途径被创造出来。随着LED灯管的出现,现代的灯不仅寿命长,而且更节能。
“LED灯泡的发明将大大减低能耗,节约成本。”中科院光电研究院研究员、北京中视中科光电技术有限公司总工毕勇表示,高效蓝光二极管如果能够大规模应用的话,能够节电50%以上。
对于三位获奖者,其实业内早就有期待。中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员徐科说,2002年左右,相关的呼声就已经很高。
获奖者之一的中村修二被称为“蓝光之父”,他是高亮度蓝色发光二极管与青紫色激光二极管的发明者。2006年,中村修二获得千禧年创新奖。能够获得此奖,是业界非常大的荣誉。
“业界对他非常看重。”中科院院士欧阳钟灿说,美国加州大学圣塔巴巴拉分校校长杨祖佑曾三次亲自前往日本拜访中村修二,请他去美国担任教授。
而另外一位获奖者赤崎勇也可谓是众望所归。他开发了氮化镓结晶化技术,并完成世界第一个高亮度的蓝色发光二极管。2009年11月10日,赤崎勇获得了京都奖尖端技术领域的奖项。而京都奖素有“日本诺贝尔奖”之称。
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会常务秘书斯泰方·诺尔马克表示,本次诺贝尔物理学奖因循“奖励为人类福祉作出重要贡献的发明”的精神而颁出。
“我们老是差一步”
上世纪70年代初,世界范围内掀起了对氮化镓的研究热潮,而利用它开发出蓝色发光二极管被认为是一个大胆设想,一旦开发成功,应用范围广阔。赤崎勇当时从事的便是这一领域的研究。
但是提高氮化镓品质和控制其性质并非易事。到上世纪70年代末,当大多数科学家都放弃了氮化镓系蓝色发光二极管的研究时,赤崎勇继续不懈研究,在经历了多次失败后,终于在世界上首次实现氮化镓的PN结,为利用氮化镓材料制造蓝色发光二极管奠定了基础。
徐科指出,与国外相比,国内的研究在力量上虽然不弱,但是在进展上“老是差一步”。
“日本在LED方面的研究已经做到了理论上的极限。”毕勇说。日本已经研制出超过200流明/瓦的商业用器件,中国则为100流明/瓦~120流明/瓦。
流明是光通量的单位,即每输入一瓦的电,能够获得的光的数量。流明量越高,发光效率越高。
事实上,在商业化的应用上,中国与其的差距正在缩小,差距主要在实验室研究上。毕勇说:“目前,我们实验室的最高水平是150流明/瓦,日本已经到了240流明/瓦。日本下一步更多地是往商品的应用上去转换。”
“过去近30年半导体的发展都是在其他工作的基础上慢慢发展。”徐科表示,在LED方面,目前我们已经有很好的研究基础,有较大的产业规模,未来要在国际上具有核心竞争力,必须在基础研究和技术开发上作出中国自己的贡献。
小职员何以登上大舞台
得奖虽是众望所归,但是获奖者的身份却再次让不少人啧啧惊叹。
中村修二曾经只是一个普通公司的职员,生活在日本一个叫阿南的小城市里,因为与工厂闹矛盾才离开。而之前,他也只是一个不知名大学毕业的硕士生。
2002年,田中耕一获得诺贝尔化学奖也是如此,一时间化学界并不知道这个人是谁。寻究起来才发现,他只是一个拥有本科学历的小职员。
小职员何以登上大舞台,一次次创造奇迹。中科院宁波材料技术与工程研究所研究员黄庆表示,这与他们在科学道路上的坚守和探索精神密不可分。
1988年,中村修二提出要制备氮化镓蓝光发光二极管,而此时,所有的人都还在十年如一日地生产磷化钾砷化镓。没有实验员没有助手,中村修二却在短短四年时间内获得了理想的试验结果。
已经80多岁的赤崎勇也曾是在神户工业公司(现富士通公司)和松下电器产业公司从事科研工作的一名职员。在许多研究场合,他都强调不懈和不气馁的精神。
在一次对年轻研究人员的讲话中,他说道:“即使是失败,也绝对不要放弃。想做一件全新的事情,失败会如影随形。在失败的情况下,不要气馁、不言放弃非常重要。另外,对研究来说,直觉也非常重要,而直觉需要在经历无数次失败的过程中培养。”
而在国内,专家们表示,LED的发展进程其实是我国科学界急功近利的一个体现,也是迟迟难以获得国际性突破的原因。
“上世纪80年代坐冷板凳,90年代跟随大潮开始热,但是原创性上却一直落后。”对于这点,徐科有点遗憾。
黄庆表示,目前我国科学领域也演变成急功近利的舞台,沉溺于影响因子、SCI、量化指标,而不是充满冒险、乐趣、坚守和风险的探索之旅。
“我们的科技体制到底要将科学扳向何方?”黄庆表达了自己的疑问。