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蓝光的火种

上帝说,要有光,这个世界上便有了光.普罗米修斯说,要有火种,于是他为人类盗来火种,受到了残酷惩罚.可是人类不满足地说,要有更好的光源,于是这个世界上诞生了led.

led全名为发光二极管(light-emitting diode),无论是应用于图像显示还是作为照明设备,如今已随处可见.而制造出白光led,不管是曲折的过程还是划时代的意义,均能与普罗米修斯盗火种相媲美.

10月7日下午,瑞典皇家科学院宣布,将2014年诺贝尔物理学奖联合授予日本科学家赤崎勇、天野浩以及任教于美国加州大学圣巴巴拉分校的美籍日裔科学家中村修二.

正是他们的通力合作、互为阶梯,研制出了蓝色发光二极管,才使得“生成明亮且节能的白色光源成为可能”.

从光芒黯淡走向明亮多彩

在普罗米修斯为人类取来火种之后,在爱迪生发明电灯之前,人类历史的漫漫岁月中,照明都是借助蜡烛、油灯等火源的热辐射光,不仅发光效率极低,发光质量也差强人意.

进入20世纪,爱迪生发明的白炽灯担当起了人类的照明大任.之后,人类社会的电光源家族不断推陈出新,产生了荧光灯、高强度气体放电灯、led灯等新成员.在“照明家族”里,led是最年轻的“小弟”,但却最出类拔萃.

在诺贝尔物理学奖新闻发布会上,“小弟”led交出了一份漂亮的成绩单:它最近创造的实验室纪录为303流明/瓦,发光效率为普通灯泡的30倍.

然而,它刚“出生”时,却光芒黯淡,差点被人类放弃.

暨南大学理工学院教授、中国白光led可见光通信创始人陈长缨介绍,led的发光原理其实很简单.发光二极管由半导体芯片组成,这些半导体材料预先通过注入或掺杂等工艺产生了n、p两极.在n极这一端,带负电的电子是自由的,而在p极这端,带正电的空穴是自由的.加上正向电压后,电流可以轻易地从p极(阳极)流向n极(阴极),在n、p两极的交界处,电子与空穴“湮灭”,释放出的能量就以光的形式发射出来.

1907年,科学家第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象,由于其发出的黄光太暗,不适合实际应用,研究被摒弃了.20世纪20年代晚期,科学家使用锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光,却再一次因为发光黯淡而停止.

20世纪50年代,英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓,发明了第一个具有现代意义的led,并于60年代面世.第一个商用led仅仅能发出不可见的红外光,但却迅速应用于传感与通信领域.

20世纪60年代末,通过在砷化镓基体上使用磷化物,第一个红光led问世.20世纪70年代中期,以磷化镓为半导体芯片的绿光led被研制出.而采用双层磷化镓芯片(一个是红色一个是绿色)的led能发出黄色光.俄国科学家也利用金刚砂(碳化硅)制造出发出黄光的led.通过工艺改进,这些颜色的led灯光也变得越来越明亮.

他们取来了蓝光的“火种”

红绿黄的led都陆续被发明,但蓝光led却迟迟没有进展.没有蓝光led,便无法制造出白光led,led照明的功能便不存在.

陈长缨告诉南方日报记者,其实,比起照明的需求,人们争相研究蓝光led最原始的动力来自于电子图像显示.集齐红绿蓝三原色的led就能在电子显示屏上配出千万种颜色.虽然红绿两色led已经发明,但因为独独缺了蓝光led,在半导体领域包含所有颜色的全彩显示也就无从谈起.

以往的晶体材料和工艺都没办法产生能量更高的蓝光,需要寻找新的半导体材料.

“这种材料其实已经准备好了.”陈长缨介绍,这种能激发更高能量的材料就是氮化镓.

但问题是怎样把它做成半导体材料.“以前的半导体发光材料很容易就能形成纯正的单晶,做出大块的晶体.但氮化镓天生就难以生长出整块单晶.”陈长缨说.

当时日本的各研究所和公司都在进行着研制氮化镓晶体的竞赛.1986年,日本科学家赤崎勇和他的学生天野浩成功生长出透明、没有表面崩裂的氮化镓薄膜.

稍后,赤崎勇等人又进一步改善了氮化镓薄膜的工艺,生长出的氮化镓薄膜具有完美的晶格排列.1989年,天野浩等利用低能电子辐照,使用了镁掺杂和金属有机物化学气相沉积生长技术,获得了低阻p型氮化镓.

1992年,中村修二在日本日亚化学公司工作,主要开发磷化镓、砷化镓等led材料.他以不同于天野浩的工艺研制出了低阻p型氮化镓,还生长出了铟镓化氮的薄膜,这种薄膜通过调节铟的掺入,能够激发出从绿光到紫外光范围内的不同波长的光.

1993年,中村修二展示出了第一颗使用铟镓化氮/氮化镓材料系统的蓝光led.因制作出第一颗蓝光led及蓝光ld,他被誉为“蓝光led之父”.

在蓝光led的基础上,日亚公司进一步在蓝光led晶片上覆盖黄绿光荧光粉.蓝光激发荧光粉发出黄绿光,黄绿光再和剩余的蓝光进一步合成白光.白光led由此诞生.

陈长缨介绍,白炽灯电能转化为光能的转化率仅为1%―2%,而led的电光转换效率理论上超过50%.它需要的电压很低,几个伏特就能发光.更值得一提的是,led寿命高达10万小时,一盏led灯能做到点亮10年以上.

“没有蓝光led的发明,中国整个led产业就不可能存在.诺贝尔奖颁给能够深刻改变人类生活的伟大发明,是评奖的应有之义.”陈长缨说.

用蓝光led拼成的诺贝尔签名.资料图片

南方日报记者 李秀婷

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回顶部 | 首页 | 电脑版 | 举报反馈 更新时间2018/4/27
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