蓝光LED的故事 | AI生成和翻译

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赤崎勇、天野浩和中村修二因发明基于氮化镓（GaN）的高效蓝光发光二极管（LED）而共同分享了2014年诺贝尔物理学奖，这项发明催生了明亮节能的白色光源。他们的贡献虽具协作精神，但各自在数十年间实现了不同的突破，攻克了困扰研究人员30年的难题。下文将讲述他们的工作历程、各自角色以及他们如何共同改变了照明技术。

挑战所在：蓝光LED为何难以实现

到20世纪60年代，红光和绿光LED已经问世，但实现白光（通过组合红、绿、蓝光）所必需的蓝光LED却难以捉摸。氮化镓因其能发出高能蓝光而成为理想材料，但生长高质量的GaN晶体极其困难。早期尝试产出的晶体缺陷严重，易碎成粉末，而制造功能性的p型（承载正电荷）GaN层以实现高效发光更是一大障碍。许多研究人员和公司放弃了GaN，认为其过于困难，转而研究硒化锌等替代材料，但这些替代材料也未能取得实际成果。

历程与个人贡献

蓝光LED的发明是一部关于坚持、独创性以及赤崎勇和天野浩在名古屋大学、中村修二在日亚化学（一家日本小公司）平行努力的传奇。他们的工作横跨20世纪80年代和90年代初，各自攻克了GaN基LED的关键方面。

赤崎勇：先驱者

• 角色：赤崎勇为GaN基LED奠定了基础，专注于生长高质量GaN晶体并开发用于蓝光LED的p-n结。
• 贡献：
  • 20世纪60年代末在松下东京研究所开始研究GaN，采用当时不常见的金属有机气相外延（MOVPE）法生长GaN晶体。
  • 1981年，在名古屋大学，他和团队开创了低温（LT）缓冲层技术。通过在生长GaN之前在蓝宝石衬底上沉积一层薄薄的氮化铝，他们于1985年成功获得了高质量的GaN晶体，这是一项重大突破。
  • 1989年，赤崎勇和团队开发出首个GaN p-n结蓝光LED，这是实现高效发光的关键一步。他们发现电子束辐照能提高p型层的效率，尽管该方法不适合大规模生产。
  • 到1992年，赤崎勇和天野浩展示了一款明亮的蓝光LED，标志着实用化GaN基LED的里程碑。
• 背景：赤崎勇的坚持令人瞩目。同事们放弃了GaN研究，认为其在20世纪不可能成功，但他始终坚信GaN的潜力。他的工作具有奠基性，为天野浩和中村修二铺平了道路。

天野浩：研究生创新者

• 角色：作为赤崎勇在名古屋大学的博士生，天野浩在改进GaN LED的晶体生长和器件结构方面发挥了关键作用。
• 贡献：
  • 与赤崎勇密切合作研究低温缓冲层技术，帮助在1986年完善了在蓝宝石衬底上生长高质量GaN的工艺。
  • 参与了p型GaN层的开发，解决了锌或镁掺杂剂被中和的掺杂问题。天野浩的实验帮助揭示了电子束效应能增强p型效率，这是在扫描电子显微镜下研究材料时偶然发现的。
  • 到20世纪80年代末，天野浩与赤崎勇的合作促成了功能性p-n结的实现，最终在1992年诞生了明亮的蓝光LED。
• 背景：天野浩是赤崎勇指导下的年轻研究员，但他在实验室的动手工作至关重要。他们的合作体现了”实验室艺术”，涉及数千次实验和定制设备。

中村修二：独立开拓者

• 角色：在日亚化学独立工作期间，中村修二用实用方法解决了p型掺杂问题，并开发出商业可行的蓝光LED。
• 贡献：
  • 1990年，中村修二采用不同方法实现了高质量GaN晶体：在晶体生长过程中调控温度，避免了像赤崎勇和天野浩那样使用蓝宝石-氮化铝特殊衬底支架的需要。
  • 通过开发镁掺杂GaN的热退火方法解决了p型掺杂问题。他发现氢会使掺杂剂钝化（中和），而加热材料可以去除氢，从而实现适用于大规模生产的高效p型层。这是一个改变游戏规则的方法，因为赤崎勇和天野浩的电子束方法无法规模化。
  • 1993年，中村修二在日亚化学制造出明亮的蓝光LED，随后于1994年推出首个商业可行的蓝光LED。他的工作还扩展到绿光LED以及用于蓝光和HD DVD的蓝光激光二极管。
• 背景：中村修二的故事充满韧劲。日亚化学是一家资源有限的小公司，中村修二面临着同行们的质疑，他们认为GaN LED不可能实现。在日亚创始人小川信雄的支持下，他自行建造设备并进行了不懈的实验。他的热退火突破使蓝光LED变得实用且价格合理。

协作还是平行努力？

赤崎勇、天野浩和中村修二并未在同一实验室工作，但他们的努力是互补的，并建立在彼此的进展之上：

• 赤崎勇和天野浩在名古屋大学直接合作，赤崎勇主导，天野浩执行关键实验。他们在晶体生长和初始p-n结方面的工作奠定了基础。
• 中村修二在日亚独立工作，但受到赤崎勇早期关于GaN发表的启发。他引用赤崎勇的p型GaN方法（电子束辐照）作为起点，但开发出了自己的可扩展解决方案。
• 诺贝尔奖认可了他们的集体影响：赤崎勇和天野浩因开创高质量GaN晶体和p-n结而获奖，中村修二则因改进p型层并实现商业化而获奖。他们在几年内相继取得的突破汇聚在一起，使蓝光LED成为现实。

影响与遗产

蓝光LED的发明彻底改变了照明：

• 白光LED：将蓝光LED与红光、绿光LED或荧光粉结合，创造了明亮、节能的白光。白光LED每瓦产生300流明，远超荧光灯（80流明/瓦）和白炽灯泡（16流明/瓦），且使用寿命长达10万小时（是白炽灯的100倍）。
• 全球覆盖：LED降低了电力消耗（照明约占全球用电量的25%），并能依靠太阳能运行，惠及15亿无法接入电网的人群。
• 应用：除照明外，蓝光LED实现了LED屏幕、蓝光光盘以及智能手机、电视和电脑中的节能显示屏。

诺贝尔委员会称赞三人为”人类带来了最大利益”，指出LED灯将照亮21世纪，如同白炽灯泡照亮20世纪。他们的工作改变了技术和可持续性，在2014年诺贝尔颁奖典礼期间，斯德哥尔摩等城市的”几乎每扇窗户”都闪烁着LED的光芒。

人物故事

• 赤崎勇（1929–2021）是一位终身科学家，自幼受好奇心驱动。他无视反对者，在他人放弃时仍坚持研究GaN，在获得诺贝尔奖之前已荣获日本京都奖（2009年）和IEEE爱迪生奖章（2011年）。
• 天野浩（生于1960年）作为赤崎勇的学生，为实验室带来了年轻的活力和精准的操作，后来成为名古屋大学教授。
• 中村修二（生于1954年）现任职于加州大学圣塔芭芭拉分校，曾是日亚的”弱势者”。他的成功带来了进一步的创新，包括创立了基于GaN的LED公司Soraa和Blue Laser Fusion。他对获得诺贝尔奖表示难以置信，称其”不可思议”。

他们的故事是关于克服困难、挑战”既定真理”并在数千次失败实验中坚持到底的传奇。正如中村修二所指出的，日亚创始人的支持和他自己的固执是关键。赤崎勇在回顾自己数十年的历程时表示，他从未考虑放弃GaN，驱动他的是做自己热爱之事的渴望，无论成功与否。

来源

• Nature Physics, 2014
• NobelPrize.org Press Release, 2014
• Shuji Nakamura Wikipedia
• Shuji Nakamura Nobel Facts
• NobelPrize.org Popular Information, 2014
• BBC News, 2014
• Isamu Akasaki Wikipedia
• Editage Insights, 2014
• Washington Post, 2021
• U.S. Department of Energy, 2014
• NobelPrize X Post, 2024

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