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2014诺贝尔物理学奖:蓝光二极管的传奇故事

Nakamura就是著名的中村修二,授奖理由:他们发明的高效蓝光二极管,使得节能的白光光源成为可能。蓝光二极管功劳很大,的确值得诺奖,这是众望所归。免费关注微信公众号 jiarenorg ,就能天天收到佳人精彩文章了,还有机会和主编小陌一对一私聊喔,咱们微信里见!

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背景资料:

2014年诺贝尔物理学奖得主是开发蓝色发光二极管(LED)的日本名古屋大学终身教授赤崎勇(85岁)、日裔美国科学家、美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二(60岁)及名古屋大学教授天野浩(54岁)。蓝色LED应用于节能且寿命长的照明器材。

20世纪60年代,人们发明了红色及绿色LED,但三原色之一的蓝色LED却因在材料结晶环节遇阻而被断言“难以在20世纪实现”。

蓝色LED的出现使节电的高亮度照明器材成为可能,极大改变了人们的生活,并因此受到高度评价。

将蓝色LED与黄色荧光物质结合制成的白色LED在迅速普及的过程中替代了白炽灯泡及荧光灯,取得了很高的节电效果。

正文:

公元1988年,在日本一个叫阿南的小城市里(佳人微信公众号:jiarenorg),一位普通的日亚公司职员厌倦了十年来生长一些磷化镓砷化镓单晶的活,也冒然越级走进公司董事长的办公室,提出了要制备氮化镓蓝光发光二极管,董事长当即决定资助500万美元的设备支持。

三年后这位中村修二同学便在《应用物理快报》上发表了生平第一篇英文文章:一种用于生长氮化镓新颖的金属有机物化学气相沉积法。论文一发表便轰动了世界半导体产业界和科学界,要知道这个时候世界上有多少大公司、著名大学科研机构都在为半导体蓝光光源薄膜材料的制备工艺头痛不已,而氮化镓正是III-V族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料。

问题并不在于这些科学家们不知道氮化镓,物理学上关于这种材料的能带结构、PN导电类型调控以及发光特性都有大量的理论和实验上的成果,真正让人头疼的是如果要实现这种材料的器件化,必须要使基板材料和氮化镓晶格匹配才行!正是因为这个难题全世界科学界和产业界几乎都把氮化镓抛在脑后,一股风地去研究能生长在砷化镓基板上的硫化锌、硒化锌等II-VI族半导体,即便这些半导体材料发光效率并不高,而且使用寿命很短。正如中村修二后来打趣的说,因为这些大公司的研发力量把II-VI族半导体的山头都占满了,不能竞争,只有另辟蹊径走别人不走的路。

一个人走在这条荒无人烟的路上,这确实是一条中村修二自己踏出的路,没有实验员,没有助手,难怪整个科学界都感到惊讶。他在短短四年时间克服了两个重大材料制备工艺难题,一个是高质量氮化镓薄膜的生长;另一个是氮化镓空穴导电的调控。

前者他改进了金属有机物气相生长过程中组分气流进入的方式,经过多达500次试验,终于在普通蓝宝石基片上获得高电子迁移率的氮化镓薄膜;解决后一个问题采用的方法更加具有传奇色彩,当时日本Meiji大学的 Akasaki和Amano教授已经报道镁掺杂的氮化镓薄膜利用电子束辐射可以实现空穴导电,但是中村修二实验发现只要控制工艺中的氢气浓度就可以大规模地得到p型掺杂材料。1994年4月,当中村修二在美国旧金山举办的春季材料会议上打开他发明的蓝色激光器那一瞬间,整个会议厅的科学家们如同小孩看烟火一般不断发出赞叹的声音。

我有时候很惊讶为什么日本这个国家总是出现这么多科学上的‘奇迹’,中村修二是个公司的普通职员而已(佳人微信公众号:jiarenorg),发明蓝色激光器之前他也只是日本一个不知名大学(德岛大学)毕业的硕士生。

回想到02002年诺贝尔化学奖奖给日本的田中耕一,一时间世界化学家们都不知道这个人是谁,日本化学界也都茫然地面对记者的提问,后来才知道田中耕一只是岛津制造所的一个小职员,本科生学历,所发表的关于测定蛋白质质量的论文也只是登载在日本一个小刊物上。我在想,当我们科学界沉醉于谈论SCI、影响因子和量化指标的时候,科学变成了一个急功近利炫耀的舞台,而不是充满冒险、乐趣、坚守和奉献的探索之旅,浮躁有理么?我们的科技体制到底要将科学轨道扳向何方?

闲聊一句,中村修二虽然把最有显示度的结果都发表在美国的《应用物理快报》上面,但是对于核心的工艺成果却是通通发表在《日本应用物理杂志》上面。当然器件物理领域一些繁琐的革新是无法上一些物理化学明星期刊的,成果的优劣当然没有必要用这些期刊的高影响因子来证明。我们很多时候喜欢反过来说,国内大学科研院所网站上科技新闻的特点就是一有突破就是在Nature,Science,JACS,PRL等等上面发了什么文章,如果没有这些期刊充面子简直提不上创新。

另一方面,为什么中村会将工艺上的突破全部让本国刊物来发表?我猜测这个和日本应用物理学会对于重大知识产权的保护有很大的关系,如果试图发表在他国刊物上,必然会经受‘同行求疵’而不是‘同行评价’,严重的还会出现被压制或者被某个小组抢先一步发表。原创性成果的抢先发表有时候是科学家们的战争。

但是我还是鼓励好的成果在做好知识产权保护之后(如申请专利或者在国际会议上简要宣布)发表在国际刊物上,我不认为这是学术殖民化,难道美国人会因为向英国《自然》投稿而感到被殖民化?真正的问题在于我们如果选择在一个平等的舞台上表达,就要面对暂时性的开发利用能力的不平等。在知识的转化上面我们是远远处于劣势的,这是真正让人感到不平衡的地方。如果我们因为领悟力不足而放弃在世界舞台自主创新做出努力,那么最后连交学费的机会都没有。

中村修二发明的氮化镓发光二极管对人类的贡献是显而易见的:利用深紫外发光可以高效率地净化生活用水(佳人微信公众号:jiarenorg);光纤通信的传输效率得到提高;超长使用寿命和高电光转换效率的全固态白光光源将极大促进绿色能源进程。美国能源部主持的一个关于全固态照明应用节能报告指出,02027年如果用半导体发光技术取代现有主要照明工具的话,将可以节省近660TWh,相当于让40个1000兆瓦的发电站停工。杜祥琬院士也帮中国算了一个帐:如果都改用节能灯,可以节约一千亿度电,长江三峡每年是800亿度,就是说我们能节约一个三峡还要多。我总是很同情环保主义者的很多偏激做法,之所以同情,是因为他们提供不了比科学更有效的方法来促成自然生态和人类社会融洽共处。

爱迪生曾经说过一句很有名的话:我们将生产出最便宜的电力,让富人去买蜡烛!半导体发光照明的最终实现,将来在昏黄的白炽灯下怀旧或会变成一种奢侈的享受呢。这真是一场III-V族半导体引发的能源革命。(来源



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