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当代爱迪生:日3名科学家因“蓝色发光二极管”获诺奖 精选

已有 11691 次阅读 2014-10-7 18:35 |系统分类:科研笔记

   诺奖官网http://www.nobelprize.org/消息,日本物理学家赤崎勇、天野浩和中村修二因发明“高亮度蓝色发光二极管”获得2014年诺贝尔物理学奖。其中的中村修二现被公认为蓝光之父,当代爱迪生。LED要发出白光,需要先发蓝光,然后激发荧光粉,发出黄光,交叉而成白光。也就是说中村修二是我们现在用的LED灯之父,当代的爱迪生。如果没有蓝光之父中村修二的一系列重要发明为LED照明铺平产业化道路,也许到现在LED还只能躺在实验室里乏人问津。没有LED光源就没有今天智能手机、平板电脑、笔记本电脑等电子产品这么快的发展。



    为什么给了蓝光二极管NB奖?委员会在“Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014”中给出的解释:
Light-emitting diodes (LEDs) are narrow-band light sources based on semiconductor
components, with wavelengths ranging from the infrared to the ultraviolet. The first
LEDs were studied and constructed during the 1950s and 1960s in several laboratories.
They emitted light at different wavelengths, from the infrared to the green. However,
emitting blue light proved to be a difficult task, which took three more decades to
achieve. It required the development of techniques for the growth of high-quality
crystals as well as the ability to control p-doping of semiconductors with high bandgap,
which was achieved with gallium-nitride (GaN) only at the end of the 1980s. The
development of efficient blue LEDs also required the production of GaN-based alloys
with different compositions and their integration into multilayer structures such as
heterojunctions and quantum wells. 


蓝光二极管的发明很困难,困扰了学界很多年,中村修二在固体物理学上巧妙的解决了一个关键问题,才导致产生了蓝光二极管。蓝光的发明解决了一个巨大的技术难题。


赤崎勇日语赤崎 勇あかさき いさむ Akasaki Isamu ?,1929年1月30日),日本工程学、物理学家,曾任松下电器研究员,现任名城大学终身教授、名古屋大学特聘教授。文化勲章得主、文化功劳者。赤崎勇开发了氮化镓结晶化技术,并完成世界第一个高亮度的蓝色发光二极管。名古屋大学东山校区特别开辟“赤崎记念研究馆”以纪念其功绩(2006年10月20日开馆)。赤崎勇亦是继西泽润一之后,第2位日本人IEEE爱迪生奖章得主。2014年凭借“高亮度蓝色发光二极管”的发明与天野浩中村修二共同获得获得诺贝尔物理学奖http://zh.wikipedia.org/wiki/赤崎勇


天野浩日语天野 浩あまの ひろし Amano Hiroshi,1960年9月11日),日本工程学家,专长半导体器件制造,现任名城大学名古屋大学教授。2014年凭借“高亮度蓝色发光二极管”的发明与中村修二赤崎勇共同获得诺贝尔物理学奖http://zh.wikipedia.org/wiki/天野浩


中村修二日语中村 修二なかむら しゅうじ Nakamura Shūji ?,1954年5月22日),日本电子工程学家,高亮度蓝色发光二极管与青紫色激光二极管的发明者,世称“蓝光之父”。现任美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授(Professor of Materials & ECE, Director of Solid State Lighting & Energy Center)、爱媛大学客座教授。

中村修二名列汤森路透引文桂冠奖,2009年获得日本人首座哈维奖。2014年凭借“高亮度蓝色发光二极管”的发明与天野浩赤崎勇共同获得诺贝尔物理学奖http://zh.wikipedia.org/wiki/中村修二


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蓝光之父—中村修二



前  言

工业化、大批量蓝宝石的需求完全是蓝、白光LED带动,在此我们有必要认识一下它的发明者中村修二.............这篇博文内容大部分来自网上,只是让大家知道谁是拉动蓝宝石需求的鼻祖。


中村修二-倔强的日本爱迪生


四国,日本四岛中最小,最贫穷的一个。这个岛上有一所日本二流的国立大学德岛大学。1973年一位叫中村修二的年轻人来到这所大学求学,花了6年时间拿到电子工程硕士学位毕业。由于学校声誉不佳,中村进不了像索尼这样的一流企业,最后在导师的推荐下进了一间四国地区生产荧光粉的小公司-日亚化学。后来日亚化学在德岛大学教授酒井士郎的建议下从事氮化物的研究,在进入公司的十年后,一直从事生长一些磷化镓砷化镓单晶生长的中村冒然走进董事长的房间,提出了要制备氮化镓蓝光发光二极管,董事长当即决定资助500万美元的设备支持。在酒井的推荐下,中村到美国佛罗里达州立大学进修两年。

三年后这位中村便在《应用物理快报》上发表了生平第一篇英文文章:一种用于生长氮化镓新颖的金属有机物化学气相沉积法。论文一发表便轰动了世界半导体产业界和科学界,要知道这个时候世界上有多少大公司、著名大学科研机构都在为半导体蓝光光源薄膜材料的制备工艺头痛不已。中村在没有实验员,没有助手的情况下,用短短四年时间克服了两个重大材料制备工艺难题,一个是高质量氮化镓薄膜的生长;另一个是氮化镓空穴导电的调控。1994年4月,当中村在美国旧金山举办的春季材料会议上打开他发明的蓝色激光器那一瞬间,整个会议厅的科学家们如同小孩看烟火一般不断发出赞叹的声音。这种发光二极管通电后的电能转换率高达80%至90%,是世界上公认的可能会取代爱迪生发明灯泡的新光源。

中村修二为日亚化学获得了近2000亿日元受益,尚不包括将来的和向其他公司专利授权的收入。日亚一举成为世界LED巨头,但日亚化学仅仅支付他2万日元的奖励。1999年中村离开公司,向日亚索要赔偿金600亿日元,2005年双方以8.4亿日元(6700万元人民币)和解。

离开日亚后的中村成为各个知名大学和研究机构竞相重金聘请的人才,当时加州大学圣塔巴巴拉分校的杨祖佑校长为了聘请日本科学家中村修二到圣塔巴巴拉任教,花费了不少心思。第一次和中村去谈的时候,中村认为圣塔巴巴拉没有他所希望的科研团队。杨祖佑回去一声不响地把他希望的设备、人员都备齐了,然后再一次跑来请中村。还专门带了一个学校懂日本文化的教授和他谈,告诉他圣塔巴巴拉具备了他能发展理想的文化,有团队有学生,中村同意去加州大学圣塔巴巴拉分校任教授。

到了美国的中村以每周一次的频率去Cree公司做技术指导,Cree公司现已成长为LED巨头。中村修二现被公认为蓝光之父,当代爱迪生。中村修二发明的蓝色发光二极管对人类的贡献是巨大的,该发明被称为世纪发明,该项技术曾被认为20世纪不可能的任务。

中村修二曾获日本朝日奖、美国本杰明富兰克林金奖,化合物半导体先锋奖、世界科技奖,芬兰千禧技术大奖、全球创新领袖奖,光学媒体全球性行业大奖,圣巴巴拉地区商会创新大奖,日本科学应用物理学杰出论文奖、西班牙阿斯图里亚斯王子奖(科研类)等36项殊荣。

http://blog.sina.com.cn/s/blog_81b62f7a0100srla.html


简单聊下这次诺贝尔奖的蓝光LED的意义

     红黄光LED和蓝光LED使用的材料是不同的,之前蓝光LED一直做不出来。这几位合力发明了蓝光LED,并使之可以大规模量产,真心挺伟大的。
     蓝光LED与荧光体材料组合使用就可得到白色光。简而言之,他们的贡献就是把LED从原来街头小广告那些红黄灯珠带到了日常照明的灯具的境界。所以讲蓝光LED不如讲白光LED,这么说可能更好理解。这东西在两个产业的应用都有特别重大的意义:1、照明。2、液晶面板。
      照明大家可能知道传统的白炽灯光效率非常低,即使是节能灯光转化率也不是特别的高,而且貌似不能支持很高的亮度。现在高档车基本都有个LED日间行车灯,很多车大灯也用上LED光源了。现在不多用的原因还是因为照明的亮度要求高,LED相对还是比较贵的,不过啥都架不住产业化,以后只会越来越便宜。
      至于液晶面板本人略有发言权,传说液晶面板是信息业的口粮(手机pad笔记本电视。。。。啥都要用),今天大家几乎每个人都离不开液晶面板,液晶面板的原理就是面板本身不发光的,要有光源支持,曾经一度笔记本以上尺寸的面板还在用CCFL(荧光灯管),而现在大部分手机,pad,笔记本的液晶面板光源基本都是白光LED,手机自从有彩屏的那一刻就在用白光LED。而蓝光LED就是这个的基础。
       街上特别喜欢争手机,传说要刷级别最快的方式就是发iphone小米锤子。。。等等,可是要没有这个东西,那根本争都没得争,离开LED根本不可能把手机做到今天的体积尺寸,没有其他的光源可以做到尺寸功耗这么好的结合,可以说要做超薄面板就离不开LED光源,没有LED光源就没有今天手机这么快的发展。
       回到这两个产业照明和液晶面板。现在到处都在强调节能,推广LED光源的意义只会原来越大,我记得4年前入职的时候,只有江苏少数几个城市试点推广LED照明灯,现在到处都是了。面板就更不用说了。
        所以说这几位日本学者拿奖其实是一点也不意外。在今天这个节能越来越从口号变为现实,而且移动设备也处在爆炸性增长的时间点上发这个奖,我个人的感觉真的没话可说,只能真心点头认可。日本人赢了,为亚洲争光!抛开国籍讲这个发明确实意义重大,集中贴里边揪着日本不放的人其实挺没意思的,评委也不认国籍,如果是中国人发明这个,我觉得也一样能得奖。当代爱迪生的称号确实非常贴切。
      有人可能会说了没有白光LED也不会根本影响到液晶面板,还有OLED(有机发光二极管Organic Light-Emitting Diode)。这个东西,我觉得这个说法其实也不能算错,但是现在OLED的潜台词就是新技术,贵,而且颜色也不是很好,所以说就现在OLED这个应用的状态,只能说大家会晚几年用上这么薄的手机,电脑,电视,会花更多的钱罢了,而白光LED能把这个状态提前10年左右实现,我觉得还是配得上这个奖。
http://wap.hupu.com/bbs/10608596.html

 

注:

  LED显示器是指直接以LED(发光二极管)作为像素发光元件的显示器,组成阵列的发光二极管直接发出红,绿,蓝三色的光线,进而形成彩色画面。但由于每个LED都是单独封装,本身直径较大,因此同色像素之间的距离也较大(也就是我们常说的点距),所以LED显示器通常来说只适于大屏幕显示。LED显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体,以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点,成为最具优势的公众显示媒体,目前,LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、证券交易等,可以满足不同环境的需要。

   OLED显示是类似于且优于LCD的下一代平板显示技术。OLED具有非常简单的三明治结构,即两层电极之间夹有一层非常薄的有机材料,当有电流通过时,这些有机材料就会发光。与LCD显示相比,OLED具有诸多优点:由于OLED本身可以发光,无需背光源,因此OLED显示屏可以做得更轻更薄,可视角度更大,色彩更加丰富,并且能够显著节省电能。OLED显示按驱动方式有被动矩阵(PM-OLED)和主动矩阵(AM-OLED)之分。OLED显示屏的像素尺寸可以做到几十到几百微米的精度,显示解析度可达>300 PPI(每英寸所拥有的像素数目)。基于这些优点,OLED已经广泛使用在MP3、手机等移动电子设备上,并逐渐扩展到PC显示器、笔记本电脑、电视机等中大尺寸显示领域。


LED照明功在当代利在千秋

    小学生都知道白炽灯是爱迪生的重要发明,这个重要的发明使人类从此告别了黑暗,迎来了光明。但是白炽灯耗电量较大,它大概只有不到十分之一的能量才变成了光能,其它都是热能白白的被浪费掉了。所以人们都在想办法要用新的光源来替代白炽灯,节能灯就应运而生了。
     节能灯的两极是普通的钨丝。钨丝通电发热后,就能发射出电子。在灯管两侧加上比较高的电压,形成电场,这些电子就会在灯管里被加速,形成有一定速度和能量的电子流。灯管是被抽成真空的,里面充有汞,就是我们称为的水银。在灯管通电发热的情况下,这些水银从液态蒸发就变成了气态。形成游离状态的汞原子。电子流中的电子以一定速度打在汞原子上,使汞原子受到激发,变成激发状态的电离子。称为发生了阶跃,激发状态的汞过了很短的时间就自发地回落到原来的状态,同时释放出紫外线光,紫外线光不能用来照明。于是我们在灯管的内壁涂了一些荧光物质,在紫外线光的轰击下,荧光物质受到激发以后,就能发出比较自然的光线,可用于我们照明。市面上较常见的节能灯管有一般的普通灯管及渐为主流的三基色灯管,和白炽灯泡相比都有省电的优点。所不同的是普通灯管的显色性偏低,而三基色的灯管则呈现出自然的阳光色,并且在显色性及光效率上都更胜过一般的普通灯管。从上面我们就可以知道,汞在节能灯管中是起中介作用的,没有汞节能灯就不会发光。每支灯管里的汞是很少的。
      一支管径为36毫米的粗管径荧光灯含汞量在25~45毫克,一支管径为26毫米的细管径荧光灯含汞量为20毫克,一支管径为10毫米的紧凑型荧光灯含汞量为10毫克。汞在常温下呈液态,是一种易流动的银白色液态金属。汞在荧光灯管里作为气体放电介质而存在,不但提高了灯的光效,而且丰富了光源的种类。所以目前的节能灯光源都含有汞。由于汞的沸点很低,在常温下即可蒸发,废弃的荧光灯管破碎后,立即向周围散发汞蒸气,瞬时可使周围空气中的汞浓度达到每立方米10~20毫克,国家规定的汞在空气中的最高允许浓度为每立方米0。01毫克。它还可以随着空气而流动。一旦进入人体的汞超过某一阈值,就会破坏人的中枢神经系统,造成对身体的极大危害。汞进入人体后很难被排除。
      其实含汞照明灯在使用过程中一般没有什么污染,污染主要是报废后电光源被随意丢弃,破裂造成汞扩散到空气中,危害人体健康,污染环境。由于回收困难和回收价值太低,加之它还有许多的其它弊病,所以唯一的办法就是淘汰它。用新的光源替代它。
      节能灯有些什么缺点
A、生产过程中和使用废弃后有汞污染,目前西方国家对汞污染是相当的重视。国人也越来越认识到了汞污染的危害性。
B、由于是玻璃制品,易破碎,不好运输,不好安装。
C、其耗电量还是嫌大了些。
D、容易损坏,寿命短,节能不省钱这句话就是它的最好写照。
      当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,节约能源是我们未来面临的重要的问题,防止环境污染是功在当代利在千秋,在照明领域我们迎来了环保节能的LED灯具。
LED是由-族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。
假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3。26~1。63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。
LED照明的特性:
极限参数的意义
(1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值,LED发热、损坏。
(2)最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
(3)最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。
(4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围,发光二极管将不能正常工作,效率大大降低。
LED照明优势
1,节能:白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10,节能灯的1/4
2,长寿:LED理论寿命可超过10万小时,对普通家庭照明可谓“一劳永逸”;
3,可以工作在高速状态:节能灯如果频繁的启动或关断灯丝就会发黑很快损坏;
4,固态封装,属于冷光源类型。所以它很方便运输和安装,可以被装置在任何微型和封闭的设备中,不怕振动,主要考虑的就是散热。
5,LED灯具技术正日新月异的在进步,它的发光效率正在取得惊人的突破,价格也在不断的降低。一个白光LED灯具进入家庭的时代正在迅速到来。
6,环保,不含汞(Hg)等对环境有害的物质,不会对环境造成破坏。LED灯的组装部件可以非常容易的拆装,不用厂家回收都可以通过其它人回收。LED不含红外、紫外线,所以不招虫。
7,显色性好:比传统灯具发出的光可以更加接近白光,在这种光线照射下,物体的颜色可以更加接近其本色;
8,相应速度快:LED响应速度快,彻底消除了传统高压钠灯启辉过程长的缺点。
发展现状:
LED作为第四代电光源,毋庸置疑拥有前三代电光源所不具备的特点。LED发光产品的应用正吸引着世人的目光,LED作为一种新型的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势,二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代,LED照明功在当代利在千秋。

http://bbs.ofweek.com/home-space-do-blog-uid-123125-id-19289.html

 

电光源的发展历程

      光不仅带给人们生活起居的改变,它也是人类一种精神的憧憬;灯具也不仅仅是一种照明的工具,更是一种艺术品,在我国古代诞生了一批极其优美又极具科学的各种灯具。到了今天,人们更是无法离开照明;照明不仅是一门科学更是一种文化,照明改变了人们的生活,也凝聚了人类对光明、对自然不断追寻、探索的一种情结,照明已成为人类生活的重要元素之一。
  在这里,我将对电光源的发展史进行简单的概括,让更多的人了解我们的产业,知道我们至力于发展电光源事业的理由。电光源如今发展可分为以下几代光源:
  第一代电光源:热辐射光源
  即爱迪生发明白炽灯,是以热辐射转换来发光的,为人类的文明做出了巨大的贡献,它的可见光在光谱中所占比例很小,大部分转换为红外线等谱线,因此它的能效很低,所以现在为了节能,为了环保,只能让它退出历史舞台。
  第二代电光源:气体放电灯
  即荧光灯,也称日光灯、紧凑型节能灯,是一种充有氩气、汞的低压气体放电灯,汞蒸气在受到电子撞击后,外层电子从基态跃迁到激发态,而当从激发态返回到基态时,汞离子就会产生253.7mm的紫外线,当灯管内壁涂覆荧光粉受到这些紫外线激发后就发出可见光。在这里氩气的作用是减少电子和气体分子的平均自由程,提高整个灯的整个转换效率。
  第三代电光源:金属卤化物灯
  它利用电极之间通过电流形成的电子束与气体分子碰撞,激发产生光线,金属卤化物灯在参与整个发光过程中,绝大部分能量被转换成可见光,仅有很小部分能量转换成热量,从而产生很高的发光效率。
  第四代电光源:无极灯
  它是利用高频电压通过功率耦合器的线圈产生感应的高频磁场,这个高频磁场的能量使荧光灯内的水银蒸气放电,放电过程辐射出来的紫外线激发荧光灯内壁的荧光粉,使它发光。无极灯也可以说成是没有电极、用电磁感应原理做成的荧光灯。无极灯或无极荧光灯是它的简称。无极灯由于没有电极,依靠电磁感应和气体放电的基本原理而发光,所以光源的寿命长达600,000---100,000小时,是白炽灯的600多倍,普通气体放电灯的5-10倍。是所有气体放电灯寿命最长的光源,可以和LED光源相当。
  也有人说第四代光源是LED,它出现后风头一时无二,与无极灯被业内称为“新光源”。尽管LED受到了很大的关注,但LED由于受技术和成本的制约,在目前情况下LED还很难大面积进入实际应用中,而无极灯由于制灯工艺相对成熟,且它的光学特性比LED优良,更便于应用在传统灯具上,可以说LED与无极灯各有千秋,LED在小功率的景观照明、指示、显示、装潢、局部照明等领域有着独特的优势。而无极灯主要在工矿企业、路灯照明、体育馆、隧道等需要大面积照明的场合,则体现出大功率照明的优势。
http://www.lclighting.cn/aspcms/news/2012-11-20/171.html




2014年诺贝尔奖
http://blog.sciencenet.cn/blog-752541-833712.html

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