蓝光二极管为何获得诺贝尔奖？

唐·林肯++寇晓明

2014年10月7日，瑞典科学院的成员们开会决定将诺贝尔物理学奖授予谁。诺贝尔奖委员会通常把诺贝尔物理学奖授予非常重大的发现，比如预测希格斯玻色子、观测到宇宙加速膨胀。因此，很多人惊讶于2014年的诺贝尔物理学奖被授予一项实用的发明：蓝光二极管。然而，物理学诺贝尔奖授予赤崎勇、天野浩和中村修二恰如其分。

技术成就

发光二极管是基础量子科学的诸多实用分支之一。在标准的量子力学的图景中，电子沿着环绕原子中心的轨道运行，有点儿像绕日行星（行星模型并不完全准确，但是其很多特性贴切地展示了量子世界的景象）。根据量子理论，电子可以在一系列分立的轨道上运动，就像是一颗行星可以在水星或金星或任何其他的太阳系行星的轨道上围绕太阳运行，但不能运行于这些轨道之间。

距离原子核近的电子能量低，距离远的能量高。当电子从高能量的轨道跃迁到低能量的轨道时，会以光的形式释放能量。发光的颜色取决于新旧两条轨道的能量差。能量差越大，光越偏蓝色。

经过些许改动，这些基本的想法也适用于多原子的系统，例如分子和固体材料。这就给我们带来了发光二极管。要制成一个发光二极管，你要结合两种不同的半导体，一种有多余的电子（n 型半导体），另一种有多余的空穴存放电子（p型半导体）。在二极管两端加上合适的电压，电子会发生移动并和空穴复合，释放能量。早期的二极管只释放很少的能量，即放出红外线。为了使二极管发出可见光，科学家必须增大能量差（即能隙——译者注）。到了20世纪70年代初，科学家已经知道了如何通过选择合适的半导体材料或是巧妙地掺入其他物质来产生明亮的红光、黄光和绿光。

可是，需要非常大的能隙才能产生的蓝光却让科学家颇费了一番功夫。 终于，1994年， 当时正在日亚化工公司工作的中村修二用氮化铟镓（InGaN）开发出了高亮度的蓝色发光二极管。氮化铟镓是氮化镓和氮化铟的混合。他通过控制铟的含量来调节能隙大小从而让二极管产生蓝光。

中村修二并不是第一位尝试用氮化镓来制作发光二极管的科学家，可是那时候大部分固体物理学家都已转向别的材料。这是因为，首先，没有人知道如何制出能生成氮化镓晶体的衬底，其次，没人知道怎样长出p 型的氮化镓层。赤崎勇和天野浩证实了可以用蓝宝石作衬底并最终生长出p 型的材料。他们还意外地发现扫描电镜能增强发光二极管的光亮度。

中村修二制备了自己的氮化镓并且发明了一个更简单的、用加热产生p 型层的方法。他还是第一位解释了为什么电子束能增强发光二极管亮度的科学家：电子束减少了氢原子，正如他发明的加热方法一样。

现代蓝光二极管的制造使用了一套更复杂的方法，包括改变铟和镓的含量，其基本原理和中村修二当初所用的是一样的。用蓝宝石做衬底，交替生长一系列氮化镓层，有些掺了铟，另外的则掺了铝。这些添加的元素是提高蓝光二极管亮度和效率的关键。更进一步，掺铝使制造更蓝的蓝光二极管甚至紫外线发光二极管成为可能。

对人类的巨大贡献

要搞清楚为什么这项看上去普通的研发能得到诺贝尔奖的认可，就要回到阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱，正是这份遗嘱提供了奖项的初始资金，并以他的名字命名。在诺贝尔的兄弟过世后，一家法国报纸错登了阿尔弗雷德的讣告。让阿尔弗雷德·诺贝尔感到惊恐的是，他被称为“死亡商人”和一个“通过发现如何更快更多地杀戮而发财”的人。他决心修补身后的名声，遗赠一项奖励，授予“那些为人类做出卓越贡献的人”。诺贝尔想让世人铭记他曾经努力把世界变得更美好。

2014年的诺贝尔物理学奖正符合他的遗愿。“我认为阿尔弗雷德·诺贝尔会对本次评奖感到高兴，”诺贝尔物理学奖委员会的负责人皮尔·德尔辛在宣布获奖名单时说道，“这是一项真正的发明，而且它的确让大部分人都受益了。”

蓝光二极管的发明促成了全新的产业。现在，蓝色、红色和绿色发光二极管被一起用来产生白光，或是任何其他颜色的光。基于这些成就，节能屏幕被应用在手机、电视、电脑、iPad 以及许多其他现代电子奇迹上。

蓝光二极管的影响可不限于我们这些彩虹一样色彩斑斓的用品。如今，发光二极管的亮度已经强到可以作为光源。正如爱迪生的白炽灯在20世纪初造就的变革，发光二极管必将革命性地改变21世纪。

现代发光二极管能够用更少的能量产生比白炽灯或荧光灯更高的亮度。例如，一个白炽灯泡能用1瓦电产生16流明的亮度，荧光灯为70流明，而现代发光二极管能产生300流明的亮度，意味着它只消耗白炽灯5%的电能就能产生和白炽灯相同的亮度。全世界的电力大约有1/4被用来照明，所以节能灯的发明对经济和环境有着深远的影响，而且还有可能减少造成全球变暖的温室气体的排放。在发展中国家，明亮高效的发光二极管能为家庭、医院等提供基于太阳能的、远离电网的能源。

2014年的诺贝尔物理学奖奖励为人类做出卓越贡献的发现与研究，传承了阿尔弗雷德·诺贝尔的遗愿。