好文嚴選：藍光將照亮世界─諾貝爾物理獎為何頒給三位日本人

2014年10月7日北京時間下午5:30，我打開電腦，進入諾貝爾獎網站，失望地發現他們的物理學獎發佈會視頻將通過youtube發佈。我不是不能翻牆，問題是翻牆軟件效率不好，於是放棄了觀看即時視頻。

諾貝爾物理學委員會本來預計北京時間下午5:45召開發布會，我耐心地等，5:45剛過，手機端騰訊新聞就跳出一個消息，日本三位物理學家獲得今年的諾貝爾物理學獎。騰訊新聞彈出：「日本物理學家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）和日裔美籍科學家中村修二（Shuji Nakamur）獲獎。」

（三位諾貝爾物理獎得主）

看到這些名字，我知道今年的諾貝爾物理學獎頒給了與發明LED有關的科學家。

好吧，很多人會好奇，什麼是LED？這個縮寫詞的原文是light-emitting diode，對應的中文是「發光二極管」。即使我們用中文，很多人照樣不明白其意思。這樣說也許大家都會明白：LED就是電視遙控器上那個發出紅外信號的燈。這種燈既不是傳統的白熾燈，也不是現在流行的螢光燈（所謂節能燈也是螢光燈），而是一種半導體做成的燈。

諸位會問，原來是這樣的啊，可是電視遙控器我們也用了二十多年了，為什麼這麼重要的信號發射器現在才獲獎？

原因很簡單，你用的電視遙控器上的發光二極管，或LED，只發射紅外光線，不發可見光，因此用處有限。所以，要弄明白這次諾獎為什麼發給三位日本人，我們需要梳理一下LED的發展史。

在梳理LED發展史之前，我先梳理一下我自己的歷史。

我與LED沒有任何關聯。我想說的是，在我小時候，那時我們家還用效率低下的白熾燈的時候，我就讀過與LED多多少少有關的物理，這些物理藏在我媽讀中專時的一本教科書中，其中提到了場致發光。可以說，LED的發光原理就是一種場致發光：你將電壓加在某種半導體做成二極管上，它就發光了。二極管的材料不同發出的光就不同，有的發出紅外光，有的發出紅光，有的發出黃光，而三位日本人的功勞是發現發出藍光的二極管。

那，什麼是二極管？我們小時候聽過半導體收音機的人都知道什麼是二極管，經常用零花錢去買。現在的年輕人知道的可能不多了。簡言之，就是用半導體製成的一種「結」，在結的兩端加上電壓，如果是正壓就會出現電流，如果是負壓就不會出現電流（當然你別加得太多，任何東西都會被足夠高的電壓擊穿）。

二極管的單嚮導電性的原理很簡單，就是因為一端有游離的電子，另一端有游離的電子空穴（這個名字有點兒學術，用離子可能更通俗些）。好了，如果你給二極管加上電壓，那麼電子向電壓高的地方跑，空穴向電壓低的地方跑，它們碰到一起就「湮滅」發光。事實是，電子填補了空穴，能量降低了，多餘的能量變成光被拋出來了。能量越高，發出的光的波長就越短。也就是說，紅外光的能量最小，現在的紫外LED的光能量最高。

物理原理很簡單，所以，LED想要獲獎，必須有應用，而且必須是重要應用。物理學獎向來如此，要麼你發現新的物理學原理，要麼你得有重要應用。LED的發光原理簡簡單單，以至於經過半個世紀的努力才最終獲得諾貝爾獎的肯定。

為了做一名事前諸葛亮，我提前一天在微博上「預言」了今年的諾貝爾物理學獎：「明天是諾貝爾物理學獎發佈會，我去年就預測今年的物理學獎，我的首選是負折射率材料，即超穎材料，如果這個領域獲獎，獲獎人當然該是 J. B. Pendry, D. R. Smith, D. Schurig。另一個可能是LED的發明，至於到底獎給誰就很難說了。」

我的預言重點，超穎材料，沒有獲獎，第二個選項獲得了。讓我們期待五年後超穎材料獲獎吧，那是諾貝爾物理學獎在各領域的又一個循環。超穎材料的應用是一個非常科幻的話題，我期待五年後有機會談。

現在可以談談LED的歷史了。概要如下：

1927年，一向致力於研究半導體的俄國人奧列格‧羅塞夫（Oleg Losev）發現第一個LED，但這個發現沒有找到任何商業應用。

到了1955年，在美國無線電公司工作的魯賓‧布朗斯坦（Rubin Braunstein）發現砷化鎵半導體會發射紅外線，可惜他和同伴們玩玩就算了，沒有去找商業應用。

又過了六年，1961年，美國人畢亞德和皮特曼（James R. Biard，Gary Pittman）發現，砷化鎵在加上電流時會發射紅外光，他們註冊了專利，次年這項發現就投入應用。同樣在次年，第一個可見光LED被發現，發出紅光。從紅外的波長900納米到了紅光的650納米。再過十年，也就是1972年，第一個黃光LED被發現，同時，LED的亮度被提高了十倍。

但是，只有紅光、黃光和綠光我們無法合成白光，我們還需要藍光。藍光的波長比較短，只有450納米左右。直到上世紀末，具體是1994年，在日本日亞化工工作的中村修二用銦氮化鎵製出了亮度很高的藍光LED。中村修二的成就是建立在赤崎勇和天野浩的成就之上的。

赤崎勇是三位獲獎人中年紀最大的，出生於1929年，今年85歲了。他23歲本科畢業於京都大學，35歲才在名古屋大學獲得博士學位。上世紀六十年代末，快四十歲的時候，他開始研究基於氮化鎵基礎上的藍光LED。80年代，高質量的氮化鎵的出現幫助他研究出實用的藍光LED，此時，他的學生天野浩加入了他的團隊。在三人當中，天野浩最年輕，出生於1960年，而中村修二出生於1954年。

在中村修二之後，由於高亮度藍光LED的出現，很快出現了白光LED。現在，最流行的白光LED並不是三原色LED的組合，而是在藍光LED上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層。

LED與白熾燈相比有幾個優點，第一當然是發光效率高，一個白熾燈的電能轉化為光能的轉化率在10%左右，而LED的效率高達60%，比螢光燈還高。第二個優點是需要的電壓很低，幾個伏特就行了。第三個優點是壽命長，白熾燈的壽命是一千小時左右，LED壽命高達十萬小時（十年以上）。不過，LED目前用在家庭照明上還不多，主要原因是成本太高。

據說，LED效率的提高速度也遵從摩爾定律，也就是說，每過三年就提高一倍。而成本呢？據說每過十年一個流明的成本就降低十倍，而每個LED封裝的亮度提高20倍，這個定律叫海茲定律（Haitz's law）。如果這個定律繼續成立，到了2020年，LED光源將成為最便宜的光源，假如屆時全世界都用上LED，全世界用於照明的耗電將減少一半。

僅僅為了節省一半照明用電，三位日本人也該獲得諾貝爾物理學獎。

最後，我們引用諾貝爾物理委員會的頒獎理由：因為他們發明了藍光LED，幫助了更亮和更節能的白光光源的出現。

＊作者為理論物理學家，專業研究領域包括超弦理論、宇宙學和粒子物理，發表英文專著《暗能量》，科普著作《超弦史話》、《越弱越暗越美麗》，最近開始寫作科幻。（原文刊載於騰訊大家網，責任編輯：代金鳳。）