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2014年诺奖得主报告观感

已有 79448 次阅读 2015-9-1 16:37 |个人分类:科学评论|系统分类:科研笔记| 诺贝尔奖, 中村修二, 蓝光LED, 天野浩

2015年8月31日,北京大学迎来两位重量级嘉宾——2014年诺贝尔物理学奖得主 田野浩 和 中村修二,两位在北大英杰交流中心各自进行了一小时的讲座,介绍了蓝光LED发明的历程和心得。博主有幸坐在现场前两排,聆听了两位大师的报告。在此记录几点报告观感与各位分享。

首先需要略微介绍一下,这两人是谁?2014年的诺贝尔物理学奖授予了蓝光LED的发明者:日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二,其中赤崎勇是田野浩的博士生导师,两人皆在名古屋大学,中村修二现在加州大学圣巴巴拉分校。报告人简介如下:

   

  天野浩教授,1960年9月在日本滨松出生,分别于1983、1985和1989年在名古屋大学获得本科、硕士和博士学位。1992年任日本名城大学助理教授、1998年晋升为副教授,2002年任教授;2010年受邀任古屋大学教授。自1982年作为一个本科学生加入赤崎勇教授研究室起,一直致力于III族氮化物半导体材料生长和器件制作研究。1985年提出利用低温缓冲层方法实现了氮化物材料在蓝宝石衬底上的异质外延, 1989年首次实现了p型氮化镓并制作出首个GaN基pn结,为蓝光LED的实用化奠定了基础。



   中村修二教授,1977年毕业于德岛大学工学部电气工程科,1979年获得德岛大学工学硕士学位,同年进入日亚化学工业公司。1993年,他利用两步生长法实现了高质量GaN并利用原位退火实现了高效p型掺杂,使蓝色发光二极管得到真正的实用化。1995年,首次实现InGaN/GaN蓝色激光二极管的室温下脉冲激射。2000年受加州大学圣芭芭拉分校校长杨祖佑的强力邀请,出任材料工学院教授。2002年担任信州大学客座教授,2006年担任爱媛大学客座教授。2007年1月,宣布发明世界第一个非极性蓝紫色激光二极管。



演讲门票

演讲题目一:


Invention of Blue LEDs and Future Prospects


蓝光发光管的发明及其发展前景


演讲人:天野浩(Hiroshi Amano)


2014年诺贝尔物理学奖获得者



演讲题目二:


The Invention of Blue LED, Laser and Solid State Light


蓝光发光管、激光器及半导体照明的发明历程


演讲人:中村修二(Shuji Nakamura)


2014年诺贝尔物理学奖获得者



天野浩给人的感觉就是一个典型的日本教授,特别彬彬有礼,讲话吐字清晰,报告准备非常充分,基本上每一页PPT上每一个图片怎么讲都有很好的计划。天野浩介绍了p型氮化镓薄膜的制备,这个研究工作是在他研究生阶段完成的。当时赤崎勇收他读研时候跟他说要做氮化镓,这个题目很难,但是一旦成功,可以改变全世界。天野浩觉得值得提起勇气挑战一下。他们面临的第一个大问题是——没钱,如果要买新设备的话估计要百万美元量级,但是他们大概只有3万美元左右的经费可以用。他们决定自己搭建仪器,自己做了真空装置,甚至把啤酒瓶也用上了。

接来下要面临的是第二个问题——做氮化镓薄膜需要用MOCVD办法,跟常规的CVD不一样。作为刚入门的研究生,田野浩当然不懂,作为博士生导师赤崎勇也不懂。于是天野浩拜访了日本的各个科研院所,终于找到一家会用MOCVD的,赶紧学了一年技术。

转眼研究生过去一年,天野浩才开始正式探索氮化镓的制备方法。随后一年多过去了,他几乎整天闷在实验室苦干,前后尝试了1500余次,结果都是一样——失败!做出来的样品质量太差,根本没法用,这是他们遇到的第三个大问题:用宝石板(氧化铝)衬底镀氮化镓薄膜非常困难,因为两者晶格差异到了16%,几乎是外延镀膜的极限。直到有一天,他参加日本的全国物理会议,了解到某位教授做了氮化铝薄膜,用的也是宝石板衬底,而且发现氮化铝和氮化镓晶格非常匹配。天野浩立马向他取经,得知了MOCVD的秘诀,回去后先制备氮化铝缓冲层,然后再在氮化铝上生长氮化镓,终于获得了成功——得到了单晶质量的氮化镓样品!

接下来他们遇到了第四个大问题,天野浩压根不懂如何去表征一个单晶样品。尽管他拿成功的样品去给导师赤崎勇看的时候,自己十分激动,但是赤崎勇十分冷静,反而给他抛下一个艰巨的任务——表征样品的性质。这是他遇到的第四个大问题,因为天野浩当时压根不懂如何去表征一个单晶样品。于是又是一通技术学习,终于在实验成功一年之后,研究结果才发表在APL上。有了样品之后的研究就顺风顺水了,天野浩不断改进实验装置,也不断提升样品质量。通过镁掺杂获得了第一个p型氮化镓,成功制备了半导体PN结,至此蓝光LED的技术基础奠定。


天野浩的成功给我们启示:

1、很多诺奖量级的工作都是在研究生阶段做出来的,其关键因素就是研究生要有初生牛犊不怕虎的勇气,敢于挑战一些难的课题,不惧失败;

2、如果你真的想做点有力度的科研,经费不是你抱怨的理由,经费少可以自己搭仪器,想办法省钱;

3、技术也不是你抱怨的理由,不会可以找会的人学,学为己用才是懂科研的人干的事;

4、要有恒心和毅力,实验失败是正常的,有时候一次性成功的实验反而令人怀疑,勇于面对失败,也要从失败中汲取教训,寻找失败的突破口,于绝望中寻找希望,前方终将辉煌;

5、在你没有充分数据说明样品质量之前,不要贸然发表论文,要说服别人你的样品好,必须要有证据。论文不是科研的目的,但是科研的一种手段。




中村修二和天野浩的性格迥然不同,感觉他更加锋芒毕露,或者说更加率真直接,这可能是因为他在美国待的比较久的缘故。中村修二的故事,去年在网上已经传的众人皆知了,在此也不再赘述,大伙儿可以翻一翻科学网去年10月的博文。此次报告他特地提到几个值得深思的方面。

中村毕业的学校叫德岛大学,这在日本是一个不起眼的高校,全球排名在800名之后,全日排名在20名之后。如果把东京大学比作日本的北京大学,那么德岛大学相当于国内某省二三流高校。中村硕士也在德岛大学读的,毕业的时候25岁,和中国毕业的硕士们几乎同龄。硕士毕业后他在日本找了个工作,找了一家叫做日亚化学的小公司,领点工资糊口。当时的日亚化学公司十分小,基本上也没什么人懂半导体技术,中村所有的技术和知识都是自学的。

就这样耗了8、9年青春,中村决定去美国逛逛,学点本事提升一下自己。到美国佛罗里达访问的时候,中村已经34岁左右了,然后,被美国人狠狠鄙视了。美国人得知他只拿了一个硕士毕业就想做科研,就有点看不起他,因为在美国人心目中,博士学位是科研的敲门砖,硕士顶多只能混个technician的位置。各位看过《生活大爆炸》就知道,谢耳朵是多么鄙视MIT硕士毕业的霍华德,——哪怕他去NASA上过国际空间站。中村显然不理解为何博士学位那么重要,因为在日本,学士、硕士、博士的工资差不多,多读一个学位更多是浪费时间,也不影响你找工作,何苦呢?但是从美国回来的中村认识到博士学位的重要性,于是他回到母校德岛大学准备整一个博士学位。

日本博士毕业和中国很像,就是要发够5篇论文,没有其他的要求。于是中村做出了人生最重要的一个选择——做氮化镓。原因很简单,这个领域做得人很少,随便搞点数据就能发文章,哪怕是说实验失败也能整理出一篇文章来。中村形容了当时做氮化镓是多么冷门,这个材料当时被大家认为是没有任何希望的deadend,而同时更火热的另一个材料是硒化锌。日本全国应用物理会议上,关于硒化锌的session会场满满当当地500人连续开一周会议;但是关于氮化镓的session会场非常冷清,听众不到10人,其中就包括赤崎勇、天野浩和中村修二本人,于是乎仅仅半天时间,天野浩和中村等几个人各做做完报告,这个session就关门大吉了。中村当时也没觉得什么沮丧,因为他的目的很简单——混够了5篇论文,搞个博士毕业,好去美帝混。他自嘲说,没有博士学位的人胆子大,经常搞点疯狂的想法,反正也没有人指导,也不知道问谁。

在多次尝试氮化镓生长没有成功的时候,中村突发奇想,在原先只有一个通道通气的MOCVD装置新增了一个气体通道,让气体压制蒸发出来的镓。很快,中村获得了有史以来质量最高的氮化镓单晶样品,其性能指标甚至比天野浩他们当时做的还要好很多。有了如此高质量的样品,中村自然就不愁论文了,因为每一个性能指标都是如此优越,他甚至可以拆分成几篇论文,博士毕业胜利在望啊。后来,中村又探索出了氮化镓原位退火方法和铟掺杂样品的制备,获得了质量非常好的PN结,发了几篇APL和JAP,拿到了博士学位。2014年拿诺贝尔奖的宣传海报上,就取了他APL文章里画的PN结示意图。

在日亚化学混了整整20年,中村显然十分郁闷,具体事情此处略去五千字,大家有兴趣找网上博文看看吧(参考蝌蚪君博文:诺奖得主中村修二:成功的秘诀就是赌博)。2000年,已经46岁的中村修二遇到人生的伯乐——加大大学圣巴巴拉分校的杨祖佑校长,杨校长慧眼识英雄,据说当时问了中村在日亚公司的工资情况,然后心中一阵暗喜。中村到了加州大学后,仍然致力于蓝光LED的研究,最终推进了LED的商业化进程,让LED照亮了全世界!中村获得了100多项专利,发表了200多篇论文,这对于一个中国或者美国教授来说估计是稀松平常的事情,不过这些论文绝大部分都发表在APL、JAP之类的普通期刊,很少是Nature Science这些所谓的顶级期刊。尽管如此,中村还是获得了2014年的诺贝尔物理学奖,因为他发明的蓝光LED亮度最高,继红光和绿光LED发明之后,三原色凑齐,白光LED成为可能。

中村的报告还介绍了LED的未来展望,第二代LED和第三代LED将进一步改变世界,其中第三代LED有一个重要的应用——汽车的远光灯采用此技术可以达到600米甚至更远的照明距离,已经有汽车公司开发此类产品了。无论是第二代还是第三代LED,都必须依赖高质量的氮化镓晶体,而中村当年疯狂的尝试和为了博士学位误打误撞的成功,奠定了所有LED的基础,荣获诺贝尔物理学奖当之无愧!





中村修二的故事给我们启示:

1、做科研出身有时不太重要,哪怕是你在二三流大学拿到的学位,照样可以拿诺奖;但是做科研出身有时也很重要,如果你没有一个博士学位,恐怕很难获得同行的认可。这两点在中国也有印证,目前国内不少大牛甚至院士的本科毕业学校根本不是现在985、211某校,甚至有的只是大专毕业;但是目前在许多高校里面评职称都会有一个硬指标——博士学位,许多单位招聘也会有一个硬指标——211/985甚至出国经历,这种前后矛盾的规则令人费解;

2、选择研究方向不一定要追热点。热点做的人太多,发论文看似容易,但却也难,因为你做的结果很可能别人早就做过了。冷门方向只要敢做,哪怕是一点点结果,也可能发论文,只是论文“档次”没有那么高而已。只要不影响博士毕业的前提下,适当地挑战冷门方向,也是值得考虑的事情;

3、做科研尤其是实验科研需要一些疯狂大胆的想法,不要被某些权威和教科书的条条框框束缚,有时候跟着自己的自觉走,也许会有惊喜;

4、对于一个科研入门者来说,做什么研究不那么重要,重要的是跟什么人做研究。这个是中村对现场提问的一个回应。选择一个合适你的牛导师非常重要,遇到你人生的伯乐非常重要,不要忙于糊口虚度了一辈子;

5、不要那么在意发什么档次的论文,专心做你的研究,并且坚持下去,诺奖会在前面对你招手。





2015年诺贝尔奖
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