諾獎得主天野浩：藍色LED研究經曆及LED應用現狀與前景

2017-03-17 17:13 瀏覽次數：8932

手機屏、室外大屏幕、照明燈……如今LED（發光二極管）因其節能高效，在顯示器和照明方麵的用途越來越廣泛。

而為LED大規模使用奠定最重要一塊基石的是日本科學家天野浩、赤崎勇和中村修二。2014年，他們因發明藍色發光二極管（即藍色LED）共同獲得諾貝爾物理學獎。

3月11日下午，名古屋大學教授天野浩在上海科學會堂舉辦演講，分享了他發現藍色LED的經曆以及LED的應用現狀和前景。

 

與當時其他致力於發現藍色LED的科學家相比，天野浩和他的導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，基於這樣的想法才堅持了下來。”

 

講座現場有不少來自複旦、同濟、交大物理學專業的學生，天野浩最後的告誡語重心長，“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點，想想自己為什麽要做這項研究。”

起初研究方向不被看好

20世紀，人類在照明方麵使用的主要是白熾燈。這種19世紀末由愛迪生發明的照明工具，原理是將燈絲通電加熱到白熾狀態，利用熱輻射發出可見光的電光源。可想而知，在白熾燈發光過程中，很大一部分能量都變成熱能散發掉了，損耗十分嚴重。

1960年代美國科學家發明了紅色LED。與白熾燈相比，LED發光所需電壓低、電流小，發光效率也高出不少，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後，才能產生白色光。紅色LED被發明之後，為了讓LED實現商用，發明綠色和藍色LED就成為科學家研究的重點。

1974年，綠色LED被開發出來。之後，科學家把藍色LED的研究重點放在了碳化矽（SiC）、硒化鋅（ZnSe）和氮化镓（GaN）上。

當時很多人在氮化镓上嚐試過以後失敗了，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。赤崎勇當時在企業中做研究，氮化镓已經不是藍色LED研究的熱點，很多人勸他不要再做這方麵研究了，赤崎勇就把研究轉到了名古屋大學。1982年，天野浩本科畢業後進入了赤崎勇工作室，開始接觸藍色LED研發工作。

在一個冷門的材料上投入，沒有經費也不被看好，這條研究之路在開始之初就注定崎嶇，但天野浩卻並不在意，而是一頭紮進了艱苦的研究中。

“我有時候覺得這也是一種運氣，在這個方向上最後沒什麽人和你競爭，能夠專心去研究。”

藍色LED發明後，LED照明才成為可能

天野浩回憶，當時藍色LED的研發有三大難點：一是不能形成高品質的氮化镓結晶，第二是不能做出氮化镓的P型結，第三是製造不出高照度的氮化镓銦晶體。

“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後，天野浩和其他學生一起跟著赤崎勇投入氮化镓的研究工作。

當時研究經費非常困難，他們需要的實驗裝置價格大概在一億日元，但工作室經費隻有270萬-310萬日元。為了正常開展研究，學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製作的實驗裝置照片，“照片上有個啤酒瓶很重要。實驗加熱需要用線圈，而線圈大小正好等於啤酒瓶直徑，我們是繞著啤酒瓶做線圈的。”

天野浩本科3年、碩士2年都投入在氮化镓的研究上，但完全沒看到合成希望。當時家人也並不支持他“死磕”這項研究，已經停掉了他的學費，好在他獲得獎學金，才可能繼續博士課程。

在碩士最後一年，天野浩在一次討論中受到一位老師啟發，想到了先在藍寶石襯底上製作低溫緩衝層，然後在這上麵製作氮化镓單晶的方法。實驗證明這種方法可以做成結晶程度很高的氮化镓結晶，這種優質氮化镓單晶的實現被視為藍色LED發明的“突破性技術”之一。

此後，天野浩博士期間，赤崎勇工作室又成功做出了P型結。在這些研究基礎上，1993年，中村修二成功發明了高亮度藍色LED，LED在照明和顯示器上的應用成為可能。

LED能為節能做出多大貢獻

LED能夠為節能做出多大貢獻？天野浩表示，根據相關統計，如果日本全國普及LED照明，可以節電7%。

這種節電便攜的照明設備對保護地方文化也有很大幫助。蒙古還有不少人保持遊牧習慣，沒有穩定電源，LED的普及讓他們的照明有了很大保障，還可以在帳篷裏看電視。“我聽到這一點非常高興。LED可以照亮沒有基礎設施的世界15億人。” 天野浩說。

在LED照明和顯示之外，天野浩研製出的氮化镓結晶還被用到節能的其他方麵。

和照明相比，驅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電目的。但變頻器在把直流電轉換成交流電的過程中，會有大約5%的能量損耗，多次轉換之後，大約有四分之一的能量會被損耗。

天野浩表示，將變頻器中的矽這種半導體材料改為氮化镓後，尺寸上能做到矽的十分之一，損耗也可以降低到原來的十分之一。名古屋大學的研究證實，這種方法普及可以節省日本用電的10%。

關於未來社會，日本內閣府設想是“超智能化社會”，是用大數據方式實時處理數據並實時反饋，“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镓材料。”

此外，天野浩還參與研製了深紫外線LED，這種LED也是以氮化镓為原料製成。殺滅大腸杆菌達到99.9%。

“據聯合國統計，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生的廁所。紫外線LED可以為這些人用到幹淨的水做貢獻。”

“做科學研究目的應該是為了造福全世界人民”

諾獎頒發有一定滯後性，一項研究成果要經過時間沉澱證明其價值才會得到諾獎肯定。

在藍色LED發明後21年，LED作為一種新型能源被大規模使用。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獎。頒獎詞寫道，“藍光LED的出現使得我們可以用全新的方式創造白光。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。自己學生時期，每年365天中364天在研究室，隻有過年那天在家。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。”

他反複提及科學研究者做研究工作，目的應該是為了造福全世界人民。“最近有報道說世界最富有的8個人所占有的財產大概相當於世界一半窮人的財產，科學研究不是為這樣的人工作的，我堅定相信這一點。最近恐怖主義經常成為話題，基尼係數也是1980年代開始急劇變化，我認為技術和科學是消除這種不好現象的最好工具。”

 

                                                             來源：澎湃新聞網