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解读2014诺贝尔物理奖:21世纪的一场照明革命

2012-05-23 14:50:30      点击:

 


  10月7日,诺贝尔物理奖揭晓,两名日本科学家和一名美籍日裔科学家分享了2014年度的诺贝尔物理奖,他们分别是日本名古屋大学的科学家赤崎勇(Isamu Akasaki)和天野浩(Hiroshi Amano),以及先后受聘于日亚化学(Nichia Chemicals)、加州大学圣塔芭芭拉分校的美籍日裔科学家中村修二(Shuji Nakamura)。

  从日亚化学这个公司就可以看出,本届诺贝尔物理奖与发光二极管有关,日亚化学是一家位于日本四国地方东北部德岛市的公司,以研制新型高效节能的LED灯为主,这三位科学家的研究方向都为蓝色发光二极管,旨在让全人类用上更加节能LED灯。

  相比较传统的人造光源而言,LED灯需要较少的能量就可以达到同等效果,高效节能的LED灯有助于节约地球资源

  蓝色发光二极管是一种环境友好型的光源,日本科学家认为21世纪是LED灯的世界,而20世纪则属于白炽灯泡,在过去的半个世纪左右的时间,红色和绿色的发光二极管在北美等发达国家和地区大量使用,但蓝色发光二极管是真正的革命性照明技术。

  为了研究蓝色发光二极管,全世界的专业人员都为此奋斗了数十年,尽管这个研究方向存在高风险,但回报也是非常巨大的,我们可以将照明技术提升到新的高度。因此将诺贝尔物理奖授予三位在此领域有着突出贡献的科学家是理所当然的,阿尔弗雷德·诺贝尔奖的得主应当带领人类文明的进步,这项技术让我们拥有更高效、持久的光源。

  发光二极管的工作原理,左上方是LED的工作原理,下方的是蓝色LED的工作原理

  发光二极管包括多层半导体材料,根据LED灯的工作原理,电会转换为光子,相当于其他光源而言提高了照明效率,传统的照明系统比如白炽灯会将大部分的电能转换为热量,只有少量转换为光子,显然这样的照明系统转换效率非常低。

  白炽灯、卤素灯的工作原理都是基于电加热,电流通过金属丝后使其发光,许多能量就被浪费在了电热做功上。荧光灯的原理则与白炽灯、卤素灯不同,它通过气体放电来产生光和热,其能量损失会小于白炽灯,因此也被称为低能量灯泡,但是在LED灯问世后“低能量灯泡”似乎就不属于荧光灯了。

  新的LED灯技术需要更少的能量并释放出更强大的光源,至少在转换率上会有明显的提升,当今世界的电力消耗有近四分之一用于照明,如果全部使用高效节能的LED灯,那么可以节约地球资源,反馈到经济效益上是非常明显的,LED灯不仅持久性强,照明效率也更高,通常情况下按白炽灯工作寿命1000小时算,超过这个时间后灯丝就被烧坏,而荧光灯的点亮时间为1万小时,是白炽灯的10倍,那么LED灯的持久性更好,可以达到10万小时,从而大大降低了材料的损耗。

  LED技术对我们并不陌生,在手机、电脑等现代电子设备中都可以找到,红色发光二极管在20世纪50年代末被研制出来,被用于数字式手表、计算器等设备,对于波长更短的蓝色二极管,许多实验室都尝试过开发,但是都没成功。赤崎勇和天野浩的研究方向是对LED照明系统中的材料进行研发,通过上千次的实验,他们发现氮化镓在蓝色LED光源上的表现非常好,可以用于制造蓝色LED光源,此前还没有人能够利用氮化镓晶体制造出高品质的LED光源。日亚化学的中村修二也选择了氮化镓晶体来取代硒化锌,作为蓝色LED光源的基础材料。

  1986年,赤崎勇和天野浩首次完成高品质氮化镓晶体的研发,其制备的方法是通过在蓝宝石衬底上涂上氮化铝,从而得到高质量的氮化镓,几年后他们再次在LED光源p型层的研发领域取得了突破,通过扫描电镜的实验,他们发现这种材料的发光效率更好,1992年时他们已经能够制造出散发出耀眼蓝光的二极管。而中村修二的研发之路也在1988年左右,他也成功制造出高品质的氮化镓,到了20世纪90年代,这两个研究小组进一步提升了蓝色LED光源的照明效率,并发明了一种蓝色激光器,用来切割出更加“锋利”的光束,由于蓝光的波长短,因此相同的区域内可以存储更多的信息,从而制造出更强大的激光打印机、液晶电视、电脑、手机等。

  可以预见,蓝色LED技术的进步将是21世纪照明领域的一场革命,未来我们将通过这项技术产生出与自然光接近的光源,这有利于我们生物钟的调节,因此该技术可以用于温室栽培,甚至是未来的火星定居点,人造光源模拟自然光能够让宇航员进入更遥远的深空。对于地球上的居民而言,价格更低、更高效的LED灯可以让更多人获得照明,因为地球上还有15亿人居住的区域没有被电网覆盖,由此可见这三位科学家的研究成果对人类文明的贡献是巨大的。