手機(jī)屏、室外大屏幕、照明燈……如今LED(發(fā)光二極管)因其節(jié)能高效，在顯示器和照明方面的用途越來越廣泛。
而為L(zhǎng)ED大規(guī)模使用奠定最重要一塊基石的是日本科學(xué)家天野浩、赤崎勇和中村修二。2014年，他們因發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管(即藍(lán)色LED)共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
? 左起：赤崎勇、天野浩、中村修二
3月11日下午，名古屋大學(xué)教授天野浩在上海科學(xué)會(huì)堂舉辦演講，分享了他發(fā)現(xiàn)藍(lán)色LED的經(jīng)歷以及LED的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。
與當(dāng)時(shí)其他致力于發(fā)現(xiàn)藍(lán)色LED的科學(xué)家相比，天野浩和他的導(dǎo)師赤崎勇選擇的是一種不太被人們看好的化合物作為研究方向。他笑言這也許是一種幸運(yùn)，讓他在競(jìng)爭(zhēng)者不多的道路上贏得了勝利，但研究過程中的艱苦也可想而知。
“當(dāng)時(shí)我還不是特別了解這項(xiàng)研究有多難，一開始想研究LED顯示器，是為了方便世人，基于這樣的想法才堅(jiān)持了下來?！?/p>
講座現(xiàn)場(chǎng)有不少來自復(fù)旦、同濟(jì)、交大物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生，天野浩最后的告誡語重心長(zhǎng)，“如果你在研究過程中有猶豫，希望你能回到自己夢(mèng)想的出發(fā)點(diǎn)，想想自己為什么要做這項(xiàng)研究?！?/p>
? 天野浩
起初研究方向不被看好
20世紀(jì)，人類在照明方面使用的主要是白熾燈。這種19世紀(jì)末由愛迪生發(fā)明的照明工具，原理是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源?？上攵?，在白熾燈發(fā)光過程中，很大一部分能量都變成熱能散發(fā)掉了，損耗十分嚴(yán)重。
1960年代美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了紅色LED。與白熾燈相比，LED發(fā)光所需電壓低、電流小，發(fā)光效率也高出不少，成為新一代照明光源的研究熱點(diǎn)。
光的三原色是紅、綠、藍(lán)。也就是說，這三種顏色的光混合之后，才能產(chǎn)生白色光。紅色LED被發(fā)明之后，為了讓LED實(shí)現(xiàn)商用，發(fā)明綠色和藍(lán)色LED就成為科學(xué)家研究的重點(diǎn)。
1974年，綠色LED被開發(fā)出來。之后，科學(xué)家把藍(lán)色LED的研究重點(diǎn)放在了碳化硅(SiC)、硒化鋅(ZnSe)和氮化鎵(GaN)上。
當(dāng)時(shí)很多人在氮化鎵上嘗試過以后失敗了，把目光投向看似更有希望的另外兩種材料上。
但還有人沒失去信心，那就是天野浩的老師赤崎勇教授。赤崎勇當(dāng)時(shí)在企業(yè)中做研究，氮化鎵已經(jīng)不是藍(lán)色LED研究的熱點(diǎn)，很多人勸他不要再做這方面研究了，赤崎勇就把研究轉(zhuǎn)到了名古屋大學(xué)。1982年，天野浩本科畢業(yè)后進(jìn)入了赤崎勇工作室，開始接觸藍(lán)色LED研發(fā)工作。
在一個(gè)冷門的材料上投入，沒有經(jīng)費(fèi)也不被看好，這條研究之路在開始之初就注定崎嶇，但天野浩卻并不在意，而是一頭扎進(jìn)了艱苦的研究中。
“我有時(shí)候覺得這也是一種運(yùn)氣，在這個(gè)方向上最后沒什么人和你競(jìng)爭(zhēng)，能夠?qū)Ｐ娜パ芯??！?/p>
藍(lán)色LED發(fā)明后，LED照明才成為可能
天野浩回憶，當(dāng)時(shí)藍(lán)色LED的研發(fā)有三大難點(diǎn)：一是不能形成高品質(zhì)的氮化鎵結(jié)晶，第二是不能做出氮化鎵的P型結(jié)，第三是制造不出高照度的氮化鎵銦晶體。
“當(dāng)時(shí)我考慮如果藍(lán)色LED可以成功，就可以造出全新的顯示器，這是可以改變世界的大事?！?天野浩說，自己開始這項(xiàng)研究，最初是抱著造福世界的想法。
進(jìn)入赤崎勇工作室以后，天野浩和其他學(xué)生一起跟著赤崎勇投入氮化鎵的研究工作。
當(dāng)時(shí)研究經(jīng)費(fèi)非常困難，他們需要的實(shí)驗(yàn)裝置價(jià)格大概在一億日元，但工作室經(jīng)費(fèi)只有270萬-310萬日元。為了正常開展研究，學(xué)生們一起商量自己做實(shí)驗(yàn)裝置，采用各種“土辦法”克服困難。
天野浩展示了一張他們自己制作的實(shí)驗(yàn)裝置照片，“照片上有個(gè)啤酒瓶很重要。實(shí)驗(yàn)加熱需要用線圈，而線圈大小正好等于啤酒瓶直徑，我們是繞著啤酒瓶做線圈的?！?/p>
天野浩本科3年、碩士2年都投入在氮化鎵的研究上，但完全沒看到合成希望。當(dāng)時(shí)家人也并不支持他“死磕”這項(xiàng)研究，已經(jīng)停掉了他的學(xué)費(fèi)，好在他獲得獎(jiǎng)學(xué)金，才可能繼續(xù)博士課程。
在碩士最后一年，天野浩在一次討論中受到一位老師啟發(fā)，想到了先在藍(lán)寶石襯底上制作低溫緩沖層，然后在這上面制作氮化鎵單晶的方法。實(shí)驗(yàn)證明這種方法可以做成結(jié)晶程度很高的氮化鎵結(jié)晶，這種優(yōu)質(zhì)氮化鎵單晶的實(shí)現(xiàn)被視為藍(lán)色LED發(fā)明的“突破性技術(shù)”之一。
此后，天野浩博士期間，赤崎勇工作室又成功做出了P型結(jié)。在這些研究基礎(chǔ)上，1993年，中村修二成功發(fā)明了高亮度藍(lán)色LED，LED在照明和顯示器上的應(yīng)用成為可能。
[NT:PAGE]LED能為節(jié)能做出多大貢獻(xiàn)
LED能夠?yàn)楣?jié)能做出多大貢獻(xiàn)?天野浩表示，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，如果日本全國(guó)普及LED照明，可以節(jié)電7%。
這種節(jié)電便攜的照明設(shè)備對(duì)保護(hù)地方文化也有很大幫助。蒙古還有不少人保持游牧習(xí)慣，沒有穩(wěn)定電源，LED的普及讓他們的照明有了很大保障，還可以在帳篷里看電視。
“我聽到這一點(diǎn)非常高興。LED可以照亮沒有基礎(chǔ)設(shè)施的世界15億人?！?天野浩說。
在LED照明和顯示之外，天野浩研制出的氮化鎵結(jié)晶還被用到節(jié)能的其他方面。
和照明相比，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使用的電力更多。日本在電機(jī)上100%使用變頻器以達(dá)到節(jié)電目的。但變頻器在把直流電轉(zhuǎn)換成交流電的過程中，會(huì)有大約5%的能量損耗，多次轉(zhuǎn)換之后，大約有四分之一的能量會(huì)被損耗。
天野浩表示，將變頻器中的硅這種半導(dǎo)體材料改為氮化鎵后，尺寸上能做到硅的十分之一，損耗也可以降低到原來的十分之一。名古屋大學(xué)的研究證實(shí)，這種方法普及可以節(jié)省日本用電的10%。
關(guān)于未來社會(huì)，日本內(nèi)閣府設(shè)想是“超智能化社會(huì)”，是用大數(shù)據(jù)方式實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)反饋，“大量信息傳送需要把頻率提高，能夠把傳輸頻率提高的也是氮化鎵材料?！?/p>
此外，天野浩還參與研制了深紫外線LED，這種LED也是以氮化鎵為原料制成。殺滅大腸桿菌達(dá)到99.9%。
“據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，全世界6.63億人無法用到安全飲用水，24億人沒條件使用衛(wèi)生的廁所。紫外線LED可以為這些人用到干凈的水做貢獻(xiàn)?！?/p>
“做科學(xué)研究目的應(yīng)該是為了造福全世界人民”
諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)有一定滯后性，一項(xiàng)研究成果要經(jīng)過時(shí)間沉淀證明其價(jià)值才會(huì)得到諾獎(jiǎng)肯定。
在藍(lán)色LED發(fā)明后21年，LED作為一種新型能源被大規(guī)模使用。2014年，赤崎勇、天野浩、中村修二因?yàn)樵谒{(lán)色LED上作出的貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。頒獎(jiǎng)詞寫道，“藍(lán)光LED的出現(xiàn)使得我們可以用全新的方式創(chuàng)造白光。隨著LED燈的誕生，我們有了更加持久、更加高效的新技術(shù)來替代古老的光源?！?/p>
天野浩說自己獲諾獎(jiǎng)完全是意料之外，諾貝爾獎(jiǎng)公布時(shí)他正從名古屋飛往法蘭克福，甚至完全沒有關(guān)注這件事。很多得到消息的日本人在機(jī)場(chǎng)等待他，走出機(jī)場(chǎng)的天野浩以為他們?cè)诘却粋€(gè)演藝界人士，完全不當(dāng)回事地走過去了，結(jié)果被一位記者叫住了。
“這是我第一次聽到自己得獎(jiǎng)，非常吃驚?！?/p>
天野浩表示，得獎(jiǎng)是非常開心的事情，但沒有研究者是為了獲獎(jiǎng)而研究。自己學(xué)生時(shí)期，每年365天中364天在研究室，只有過年那天在家。從早上10點(diǎn)做研究到半夜兩三點(diǎn)，除了吃飯都不停止，“不是沒有時(shí)間做其他事情，是不想做，因?yàn)檠芯刻袠啡ち??！?/p>
他反復(fù)提及科學(xué)研究者做研究工作，目的應(yīng)該是為了造福全世界人民?！白罱袌?bào)道說世界最富有的8個(gè)人所占有的財(cái)產(chǎn)大概相當(dāng)于世界一半窮人的財(cái)產(chǎn)，科學(xué)研究不是為這樣的人工作的，我堅(jiān)定相信這一點(diǎn)。最近恐怖主義經(jīng)常成為話題，基尼系數(shù)也是1980年代開始急劇變化，我認(rèn)為技術(shù)和科學(xué)是消除這種不好現(xiàn)象的最好工具。”
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