鄭玉祥

黑夜給了我黑色的眼睛，我卻用它尋找光明。

——顧城

在日常生活中，人們對周圍的認知主要依賴視覺，據(jù)文獻記載約90%的信息是通過視覺獲取的。人們除了睡眠之外，幾乎一切活動都是在光亮的環(huán)境中進行。在人工照明發(fā)明之前，人類只能依賴自然光。但僅僅依賴自然光只能被動地過著日出而作、日落而息的生活?？梢韵胂笙让駛兲Ｍ苡刑柕奶娲镌谝归g點亮人們的生活，拓展活動時間。這種愿望在很多神話和傳說中得到體現(xiàn)，如中國文化中有燧人氏鉆木取火的傳說，希臘文化中有普羅米修斯盜取天火的神話。

追求光明的歷程

以燃燒為特征的光源，如篝火、火把、油燈、蠟燭等是第一代人工光源。第一代人工光源有明顯缺陷，如有煙霧、容易被風吹滅、存在引發(fā)火災隱患等等。突破這些缺陷，尋找新的光源，人類走過了數(shù)千年，直到19世紀電光源的發(fā)明。愛迪生（T.Edison）在前人工作的基礎上認識到。只要將某種導體通電加熱到白熾狀態(tài)，就能實現(xiàn)照明。白熾燈是第二代人工光源。白熾燈發(fā)明后不久，照明史上一代“新秀”熒光燈（也稱日光燈）出現(xiàn)了。1938年4月1日，美國GE公司英曼（G.Inman）研制了熒光燈原型，因此熒光燈又稱為“英曼管”。熒光燈的工作原理是利用紫外光激發(fā)玻璃管壁上的熒光粉而發(fā)光。熒光燈的發(fā)光效率比同等功率的白熾燈高3～5倍，壽命長5～6倍，具有光線柔和、節(jié)約能源等優(yōu)點。與白熾燈相比，兩者具有明顯差異，因此熒光燈被認為是第三代人工光源。

1980年代至1990年代，一種新型光源橫空出世，這是一種半導體光源，被稱為發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）。與傳統(tǒng)照明相比，LED燈的優(yōu)勢十分明顯：

（1）LED燈的發(fā)光效率是白熾燈的10～20倍，是熒光燈的2～4倍，節(jié)能效果明顯。據(jù)估算，如果中國所有的白熾燈和熒光燈都被LED替換，節(jié)約的電量相當于4個三峽水電站的發(fā)電量。

（2）LED燈不含對人體有害的成分，比較環(huán)保。相比之下，每只熒光燈含汞0.5～5毫克，若處理不當，會污染1000噸水和300米³空氣。

（3）LED燈的使用壽命很長，正常使用壽命可達10萬小時，而白熾燈只有1000小時，熒光燈為10000小時。

（4）LED燈響應時間少于1毫秒，而白熾燈則要200～300毫秒，熒光燈更長。

（5）LED燈的驅動電壓小于5伏，非常安全，而傳統(tǒng)光源的驅動電壓要100～200伏。

因此LED燈的問世被認為是一場照明革命，這種半導體光源也被視為第四代人工光源。引發(fā)這場照明革命的三位科學家讓人類登上了光明之路的第四級臺階。2014年諾貝爾物理學獎因此落在他們身上，以表彰他們“發(fā)明了高效的藍光LED，從而使得一種新型的節(jié)能白色光源得以實現(xiàn)”。他們是日本名城大學教授、名古屋大學特聘教授赤崎勇（Isamu Akasaki），日本名古屋大學教授天野浩（Hiroshi Amano），日本日亞化工公司前工程師、美國加州大學圣巴巴拉分校教授中村修二（Shuji Nakamura）。

崎嶇的藍光之路

1907年，英國馬可尼電子公司的朗德（H.J.Round）首次報道了半導體發(fā)光效應，文章發(fā)表在《電子世界》期刊上。在一種砂紙研磨劑材料SiC晶體上，他首次觀察到了一種新奇的現(xiàn)象——當在晶體兩個觸點之間施加10伏電壓時，在陰極附近晶體發(fā)出微弱的黃光。與火光、黑體輻射等發(fā)光現(xiàn)象不同，這是一種電致發(fā)光效應。但這種光線很暗，不具有實用性，因此未引起人們廣泛關注。

1929年，俄羅斯無線電技術員洛謝夫（O.V.Losev）成功制作出世上第一個發(fā)光二極管，獲得第一個LED專利。

1936年，法國人戴特里奧（G.Destriau）公開發(fā)表由Ⅱ-VI半導體材料ZnS制作的LED。此后，SiC及II-VI族半導體成為廣為人知的發(fā)光材料。

1962年，霍洛尼亞克（N.Holonyak Jr.）和貝瓦奎（S.F.Bevacqua）使用GaAsP為發(fā)光材料制作出紅光LED，這是第一個可見光LED，相關文章在《應用物理快報》發(fā)表。他們使用氣相外延法（vapour phase epitaxy，VPE）在GaAs襯底上生長出GaAsP二極管PN結，但是由于GaAsP與GaAs晶格不太匹配，造成很多缺陷，導致發(fā)光效率不高，僅為0.11流[明]/瓦左右。

1972年，克勞福德（G.Craford）使用N摻雜的GaAsP/GaAs成功制作出第一個黃光LED，進一步拓展了LED發(fā)光波長波段。1985年以后，日本研究者以AlGaInP系統(tǒng)為可見光波段發(fā)光材料，AlGaInP/GaInP雙異質結構為發(fā)光層，通過調配AlGaInP之間四元材料的比例，成功做出625納米（紅光）、610納米（橙光）、590納米（黃光）波段LED。

根據(jù)色度學知識，可以由三原色紅、綠、藍合成白色。進入1970年代，LED已經實現(xiàn)了紅、橙、黃等顏色發(fā)光，但依然無法制作出藍光LED。為了實現(xiàn)照明所需的白色光源，人們致力于藍光LED的研發(fā)。

在開發(fā)藍光LED時，究竟以何作為發(fā)光材料，存在ZnSe和GaN兩大觀點之爭。研發(fā)藍光LED的團隊必須在兩種截然不同的技術路線上做出痛苦的選擇。對于藍光材料，ZnSe是最初的寵兒，GaN則不被看好。以GaN材料為研究對象的是絕對少數(shù)，其中的重要代表是赤崎勇領導的團隊。

1973年，當時在松下電器公司東京研究所的赤崎勇團隊就開始了藍光LED的研究。他們自己建造了所需要的設備，學習有關技術并進行了數(shù)千次的實驗。一次又一次的失敗并沒有讓他們喪失信心。當時人們普遍認為，使用GaN材料開展實驗毫無希望。1970年代末，幾乎所有研究組都中止了對GaN材料的研究，但赤崎勇仍在堅持，不過他在松下公司的研究遇到重重阻力。1981年，赤崎勇重返名古屋大學進行半導體研究。以學術自由聞名于世的名古屋大學為赤崎勇專門建造了無塵實驗室供他進行GaN材料研究。為回報名古屋大學的知遇之恩，他把自己的實驗室變成了“不夜城”——夜以繼日，刻苦攻關。

1982年，當時還是本科生的天野浩加入赤崎勇教授的研究小組，參與藍光LED的研究。經歷無數(shù)次失敗后，赤崎勇和天野浩終于在1986年首次制成高質量的GaN晶體。他們所采用的方法是在藍寶石襯底上外延一層A1N緩沖層，并在上面成功生長GaN晶體。

1989年，他們在制備P型GaN的工作上取得突破性進展。赤崎勇和天野浩在掃描電鏡下觀察生長的GaN晶體，無意間注意到用電鏡觀察過的GaN晶體的發(fā)光強度似乎增強了。這說明掃描電鏡產生的電子流能夠提升P型GaN的電離效率。于是他們采用低能電子輻照辦法成功獲得低阻的P型GaN。得到P型GaN后，通往基于GaN材料的LED的最后路障被清除了。1992年，他們終于制成第一個藍光LED。

選擇GaN材料的另一個“獨行者”是中村修二。1979年從日本德島大學研究生畢業(yè)后，他加入日亞化工有限公司。當時公司規(guī)模還很小，僅200個雇員，其主要業(yè)務是生產熒光粉。起初，中村修二主要研究對象是用于紅光LED的GaAs材料，1988年才開始藍光LED的研制。盡管當時大多數(shù)人認為ZnSe是更有希望的藍光LED材料，中村修二選擇GaN材料作為研究目標多少有點迫于無奈，因為當時研究ZnSe的單位很多，競爭太激烈，其中不乏大型公司和實驗室，他認為如果自己也選ZnSe材料進行藍光LED研發(fā)不會有任何優(yōu)勢。他所在的開發(fā)部門是個小部門，缺乏經費。為了節(jié)省資源，他需要把實驗中損壞的石英管重新焊接起來，繼續(xù)使用。由于高溫加熱后石英管內壓力增大，焊接部位微小的損傷便經常會引起爆炸。

幾乎日復一日重復單調的工作——上午打開設備工作，下午修理損壞的設備。很多人不理解中村修二的工作，覺得他是個怪人。然而，經過不懈努力，兩年之后他成功制成了高質量的GaN晶體。他選擇的是與赤崎勇團隊不同的技術路線，所用的方法是先在低溫下生長薄薄一層GaN晶體，隨后在稍高的溫度下繼續(xù)進行GaN晶體生長。為了獲得P型GaN，中村修二采用了一種更簡單、更便宜的方法，即對材料進行退火處理。通過這種方法他在1992年成功制成了具有良好性能的低阻P型GaN晶體。1994年，中村修二研制出GaN基的藍光LED。

可以通過三原色紅、綠、藍合成白色，另外互補兩種顏色，例如紅與青、綠與紫、藍與黃也可以合成白色，因此白光LED實現(xiàn)方式有多種：（1）利用紫光LED發(fā)的紫光激發(fā)三色熒光粉，產生白光；（2）利用藍光LED發(fā)的藍光激發(fā)黃色熒光粉，產生白光；（3）利用藍光LED和黃光LED產生白光：（4）利用藍光LED、綠光LED和紅光LED產生白光。1998年，中村修二在藍光LED芯片上涂抹黃色熒光粉研制出第一只白光LED，從而產生了一種節(jié)能、環(huán)保、高效的綠色照明技術。

半導體照明的應用

2008年北京奧運會開幕式吸引了全球觀眾的目光，最引人注目的是各類表演中大量使用的LED技術，主要包括鳥巢會場中央地板的LED屏幕、表演者身上的LED裝飾燈、空中升起由LED組成的奧運五環(huán)、鳥巢場館看臺上轉播與發(fā)布信息用的LED屏幕等等。開幕式倒計時用的2008個缶采用LED光源點綴。在場地中央鋪設的長147米，寬22米，面積3234米²的LED屏幕是表演的重要舞臺，演繹了數(shù)千年的中華文明，向世界展示了中華文化的魅力。

2010年上海世博會也大量使用了LED照明技術，在開幕式上展示的巨型LED顯示屏總面積為9500米²是當時世界上最大的LED顯示屏世界紀錄。在5.28公里²的世博園區(qū)，投入使用的LED燈芯片多達10.3億只，80%的夜景照明采用LED照明。每當夜幕降臨，在LED燈裝扮下的世博園各場館熠熠生輝，晶瑩剔透，美輪美奐。

LED的應用非常廣泛，以下為常見的應用。

（1）顯示屏

LED顯示屏是由許多LED以點陣方式排列的陣列，整個陣列由計算機控制。按基色的數(shù)目，分為單色屏（即把單一顏色的LED作為一個像素點制作的顯示屏）、雙基色屏或偽彩色屏（即把紅色和綠色的LED放在一起作為一個像素制作的顯示屏）、全彩屏（即把紅、綠、藍三色LED放在一起作為一個像素制作的顯示屏）。與傳統(tǒng)的陰極射線管、白熾燈、放電管燈顯示方式相比，LED顯示具有亮度高、耗電低、壽命長、故障低、動態(tài)顯示效果好等優(yōu)點，廣泛使用于交通樞紐、股票證券交易所、大型文藝演出、體育場館等公共場所。

（2）交通信號

傳統(tǒng)的交通信號燈基本都采用白熾燈，紅、綠、黃三種信號燈是通過在白熾燈前面加上相應顏色的濾光片產生的。原本發(fā)光效率就很低的白熾燈，加上濾光片后，發(fā)光效率就更加低了。為了獲得足夠的亮度，不得不消耗大量的電能。紅光LED早已問世，隨著黃、綠LED的出現(xiàn)，LED交通信號燈逐漸替代了傳統(tǒng)的交通信號燈。LED交通信號燈的優(yōu)點十分明顯，如耗電少——僅相當于白熾燈用電的10%，節(jié)能效果顯著；工作壽命長，一般LED信號燈可連續(xù)使用3～5年，相比之下傳統(tǒng)信號燈每年卻要更換2～4次；可靠性高，安全性好，一般LED信號燈由數(shù)百只LED芯片構成，即使有個別甚至不少芯片損壞，也不影響整個信號燈的正常工作，而傳統(tǒng)的交通信號燈僅一個燈泡，一旦損壞，整個信號燈就無法正常工作，可靠性差。

（3）汽車照明

汽車照明系統(tǒng)是保證汽車安全的要件之一，例如前照燈的照距越長，配光性越好，汽車行駛的安全性就越高。優(yōu)良的汽車照明系統(tǒng)是行車安全的重要保障。與傳統(tǒng)車燈相比，LED車燈的優(yōu)點主要為：壽命長，甚至在汽車使用壽命內無需更換燈具；節(jié)能效果顯著，可節(jié)省數(shù)倍燃料，大幅減少汽車對汽油的使用量；開燈即亮，響應速度極快，在制動時，哪怕提前零點幾秒的時間就能避免致命的交通事故，大大提高行車安全；體積小，結構簡單，抗震性能好，耐沖擊能力強。

（4）背光照明

背光源就是為液晶顯示器面板提供照明的光源。與傳統(tǒng)的冷陰極熒光管背光源相比，LED背光源不含汞等對人體和環(huán)境有害的成分，另外還具有體積小、省電、發(fā)光亮度高、顯示效果好等優(yōu)點，目前廣泛用于手機、筆記本電腦、液晶電視等顯示屏的制作上。

（5）景觀裝飾照明

景觀裝飾照明美化周邊環(huán)境，創(chuàng)造舒適的工作和生活氛圍，給人們帶來美好的視覺享受，從而增添生活情趣。常見的景觀燈具包括投光燈或聚光燈、水下燈、地埋燈、幕墻燈、護欄燈等。LED景觀照明燈的優(yōu)點有：不含有害元素，綠色環(huán)保；低壓供電，安全可靠；體積小巧，便于設計安裝；響應速度快，顯示效果好?？梢灶A計，在景觀裝飾方面LED燈必將大放異彩。

（6）普通照明

目前，普通照明光源主要有白熾燈、熒光燈、汞燈、鈉燈和金鹵燈。白熾燈特點是成本低，但效率低，能耗大，且易碎，壽命短。熒光燈的特點是比較省電，但易碎且有汞污染。相比之下，用于普通照明的白光LED具有效率高，耗電少，壽命長，體積小等特點，是理想的照明光源，是照亮21世紀夜空的不二選擇。

（7）特種照明

照明不僅僅為了滿足人們的視覺需要，還有一些特殊的運用，如為了讓植物更好地生長，可以根據(jù)植物生長的特點，選擇具有合適光譜的光源對植物進行人工補光；在農業(yè)方面，可以利用LED燈殺蟲、殺菌，減少農藥的使用；在醫(yī)療方面，利用LED照明和CCD攝像頭制成膠囊狀探測器，患者只需像吃普通藥丸一樣吞下這種探測器就可以對腸胃系統(tǒng)成像，而不會感到痛苦；LED照明在通訊方面的應用也備受關注，利用白光LED在進行照明的同時還可以傳遞信息，應用前景廣闊。

啟示與反思

2014年諾貝爾物理學獎花落日本，諾貝爾獎的名冊上又添3位日本科學家的名字。相似的一幕發(fā)生在不久前的2008年，那一年3位日本人獲得物理學獎，一位獲得化學獎。截至現(xiàn)在，日本已經擁有22位諾貝爾獎得主，其中19位獲得科學獎，3位獲得人文獎。據(jù)稱，日本還有多名被諾貝爾獎委員會有意或無意漏掉的科學家，以及幾十位潛在的諾貝爾獎候選人。

—個世紀以來，諾貝爾科學獎從未降臨在中國本土！錢學森曾問過“為什么我們的學?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”更早些，李約瑟（J.Needham）也問過“盡管中國古代對人類科技發(fā)展做出了很多重要貢獻，但為什么科學和工業(yè)革命沒有在近代的中國發(fā)生？”諾貝爾獎之所以能引起世人關注。因為其授予世界最具創(chuàng)造性的研究成果，從而諾貝爾獎獲獎人數(shù)的多寡可以反映—個國家創(chuàng)造力水平的高下。

我們的創(chuàng)造力去哪兒了？創(chuàng)造性的人才出不來，大師培養(yǎng)不出來，首先想到的就是教育問題及人才選拔機制。

目前的人才選拔基本是“全科取士”，這種方式很公正有效，選拔出來的是高素質的優(yōu)秀人才。但試想將這種方式放在體育人才選拔上，即按照十項全能標準選拔體育人才，然后再為運動員進行專項訓練，則這些運動員在每個專項上基本都能達到很高水準，但要拿世界冠軍可能性會降低很多。幸好目前中國體育人才采用的辦法是“單科取士”，比如有舉重強項的，即使游泳、短跑不強，也能進國家隊。這也是中國在體育方面能夠獲得很多世界冠軍的原因之一。

普通的人才是需要培養(yǎng)的，但大師通常不是培養(yǎng)出來的。大師是被發(fā)現(xiàn)、被關懷出來的——發(fā)現(xiàn)人才，并為他們提供不受干擾的環(huán)境，讓他們舉畢生精力安心挑戰(zhàn)科學問題。如此，便不愁沒有大師出來了。

今年獲獎的幾位日本科學家，他們選擇了普遍不被看好的方向，經歷數(shù)千次失敗，很多年沒有科研成果產生，仍然能堅持不懈、矢志不渝地繼續(xù)既定的科研方向，最后戰(zhàn)勝重重困難，取得里程碑式的研究成果。他們的科研精神、態(tài)度值得借鑒。

這里順便交代一下中村修二從事藍光LED研究的一段小插曲。當年是日亞化工公司普通職員的中村修二越級直接找日亞化工公司創(chuàng)辦人小川信雄（N.Ogawa）請求支持他的藍光LED研究。中村的策略是選擇鮮有人問津的GaN材料，這是被認為毫無希望的材料。無疑他是在冒險，小川信雄投了330萬美金的經費供中村研究也相當于賭博。中村修二的研究計劃直接被小川信雄批準，無須經過專家論證，層層審批。管理結構只有小川信雄，沒有其他的人——沒有委員會，沒有管理委員會顧問，沒有監(jiān)督，沒有部門主管、組長，等等。他們只是工作！歷史上重大的科學突破往往發(fā)生在不被看好的方向，往往在意想不到的地方驚喜突然出現(xiàn)。如果一個研究計劃被所有評審專家點贊，在一片叫好聲中順利獲得資助，估計那也不會產生重大的里程碑式的成果。

筆者曾參與日本“下一代光存儲計劃”，令人印象深刻的是日本科學家的“縝密、執(zhí)著、冒險、協(xié)作”精神。筆者認為這些素質中國科學家基本具備，但在冒險精神方面顯得有些不足，常常會為功利思想左右，對具有挑戰(zhàn)性的科研工作縮手縮腳，使科研水平難以提升?？茖W探索是高風險的，科學研究者應該由理想所驅動，而不應該成為功利思想的奴隸。

2014年正好是1962年諾貝爾化學獎獲得者佩魯茨（M.F.Perutz）100周年誕辰。他是英國劍橋分子生物學實驗室（Laboratory of Molecular Biology，LMB）的第一任實驗室主任，該實驗室產生了十幾位諾貝爾獎得主、被譽為“諾貝爾獎加工廠”。在此，引用佩魯茨的一句話結束全文：

科學創(chuàng)造力，如同藝術創(chuàng)作一般，不能被規(guī)范化，無需精心安排組織，而是從不同天才個體自發(fā)產生的。一個好的實驗室能夠加速這種創(chuàng)造力的發(fā)生。任何等級制度、官僚制度、僵硬的規(guī)則以及瑣碎無用、堆積如山的文件工作都會殘殺這種創(chuàng)造力?？茖W發(fā)現(xiàn)是無法計劃的。它們就像莎士比亞戲劇中頑皮的小精靈一樣，會在一個意想不到的角落突然出現(xiàn)。

關鍵詞：2014年諾貝爾獎 物理學 藍光 LED半導體照明