而為LED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)明藍色發(fā)光二極管（即藍色LED）共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

 

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)會堂舉辦演講，分享了他發(fā)現(xiàn)藍色LED的經(jīng)歷以及LED的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。

 

　　與當時其他致力于發(fā)現(xiàn)藍色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，讓他在競爭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。

 

　　“當時我還不是特別了解這項研究有多難，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持了下來。”

 

　　講座現(xiàn)場有不少來自復(fù)旦、同濟、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，“如果你在研究過程中有猶豫，希望你能回到自己夢想的出發(fā)點，想想自己為什么要做這項研究。”

天野浩

 

 

　　20世紀，人類在照明方面使用的主要是白熾燈。這種19世紀末由愛迪生發(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。可想而知，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，損耗十分嚴重。

 

　　1960年代美國科學(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。

 

　　光的三原色是紅、綠、藍。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實現(xiàn)商用，發(fā)明綠色和藍色LED就成為科學(xué)家研究的重點。

 

　　1974年，綠色LED被開發(fā)出來。之后，科學(xué)家把藍色LED的研究重點放在了碳化硅（SiC）、硒化鋅（ZnSe）和氮化鎵（GaN）上。

 

　　當時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。赤崎勇當時在企業(yè)中做研究，氮化鎵已經(jīng)不是藍色LED研究的熱點，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)后進入了赤崎勇工作室，開始接觸藍色LED研發(fā)工作。

 

　　在一個冷門的材料上投入，沒有經(jīng)費也不被看好，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，而是一頭扎進了艱苦的研究中。

 

　　“我有時候覺得這也是一種運氣，在這個方向上最后沒什么人和你競爭，能夠?qū)Ｐ娜パ芯俊?rdquo;

 

 

　　天野浩回憶，當時藍色LED的研發(fā)有三大難點：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。

 

　　“當時我考慮如果藍色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，自己開始這項研究，最初是抱著造福世界的想法。

 

　　進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。

 

　　當時研究經(jīng)費非常困難，他們需要的實驗裝置價格大概在一億日元，但工作室經(jīng)費只有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驗裝置，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驗裝置照片，“照片上有個啤酒瓶很重要。實驗加熱需要用線圈，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。”

 

　　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。當時家人也并不支持他“死磕”這項研究，已經(jīng)停掉了他的學(xué)費，好在他獲得獎學(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。實驗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)氮化鎵單晶的實現(xiàn)被視為藍色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)明了高亮度藍色LED，LED在照明和顯示器上的應(yīng)用成為可能。

 

 

　　LED能夠為節(jié)能做出多大貢獻？天野浩表示，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，如果日本全國普及LED照明，可以節(jié)電7%。

 

　　這種節(jié)電便攜的照明設(shè)備對保護地方文化也有很大幫助。蒙古還有不少人保持游牧習慣，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)動馬達使用的電力更多。日本在電機上100%使用變頻器以達到節(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，這種方法普及可以節(jié)省日本用電的10%。

 

　　關(guān)于未來社會，日本內(nèi)閣府設(shè)想是“超智能化社會”，是用大數(shù)據(jù)方式實時處理數(shù)據(jù)并實時反饋，“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。”

 

　　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。殺滅大腸桿菌達到99.9%。

 

　　“據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，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。”

 

　　“做科學(xué)研究目的應(yīng)該是為了造福全世界人民”

 

　　諾獎頒發(fā)有一定滯后性，一項研究成果要經(jīng)過時間沉淀證明其價值才會得到諾獎肯定。

 

　　在藍色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、中村修二因為在藍色LED上作出的貢獻分享了諾貝爾物理學(xué)獎。頒獎詞寫道，“藍光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。”

 

　　天野浩說自己獲諾獎完全是意料之外，諾貝爾獎公布時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場等待他，走出機場的天野浩以為他們在等待一個演藝界人士，完全不當回事地走過去了，結(jié)果被一位記者叫住了。

 

　　“這是我第一次聽到自己得獎，非常吃驚。”

 

　　天野浩表示，得獎是非常開心的事情，但沒有研究者是為了獲獎而研究。自己學(xué)生時期，每年365天中364天在研究室，只有過年那天在家。從早上10點做研究到半夜兩三點，除了吃飯都不停止，“不是沒有時間做其他事情，是不想做，因為研究太有樂趣了。”

 

　　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。“最近有報道說世界最富有的8個人所占有的財產(chǎn)大概相當于世界一半窮人的財產(chǎn)，科學(xué)研究不是為這樣的人工作的，我堅定相信這一點。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，我認為技術(shù)和科學(xué)是消除這種不好現(xiàn)象的最好工具。”