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(lái)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(guò)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(kāi)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(lái)?！?/p>
講座現(xiàn)場(chǎng)有不少來(lái)自復(fù)旦、同濟(jì)、交大物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，天野浩最后的告誡語(yǔ)重心長(zhǎng)，“如果你在研究過(guò)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。”
? 天野浩
起初研究方向不被看好
20世紀(jì)，人類(lèi)在照明方面使用的主要是白熾燈。這種19世紀(jì)末由愛(ài)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(jiàn)光的電光源?？上攵?，在白熾燈發(fā)光過(guò)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(shuō)，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(kāi)發(fā)出來(lái)。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(guò)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(méi)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(kāi)始接觸藍(lán)色LED研發(fā)工作。
在一個(gè)冷門(mén)的材料上投入，沒(méi)有經(jīng)費(fèi)也不被看好，這條研究之路在開(kāi)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(jué)得這也是一種運(yùn)氣，在這個(gè)方向上最后沒(méi)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(shuō)，自己開(kāi)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(wàn)-310萬(wàn)日元。為了正常開(kāi)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(xiàn)圈，而線(xiàn)圈大小正好等于啤酒瓶直徑，我們是繞著啤酒瓶做線(xiàn)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(méi)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。
