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2014年诺贝尔物理学奖的意义 精选

已有 14522 次阅读 2014-10-7 19:46 |个人分类:生活点滴|系统分类:科普集锦

    LED(发光二级管)基于半导体发光。它是通过电子空穴复合成光子,所以能耗低、效率高,而其他光源中大部分能量转化为热。

    而有了蓝光后,可以通过磷激发出红光和绿光,从而混合产生白光和其他各种颜色的光。或者与原有的红光LED和绿光LED一起产生白光和其他颜色的光。除了照明,LED也提供了显示技术。蓝光LED的也有另外的应用,比如,蓝光LED又导致了蓝光光盘,从蓝光LED发展出的紫外LED也有治理污染水的作用。

  但蓝光LED是几十年的难题,今年诺贝尔物理学奖获奖者赤崎勇和天野浩,以及中村修二,在1990年代解决了这个难题。  

这个获奖项目基本上属于凝聚态物理领域,它解决的关键问题在于半导体工艺。LED发光的原理是半导体p-n结的电子和空穴发生复合,转化为光。电子和空穴的复合相当于一个电子从高能量态转移到低能量态,填补空位。这两个能量之差,即半导体的能隙,就转化为光子的能量。爱因斯坦的光子说告诉我们,光子能量正比于它的频率。蓝光的频率比红光和绿光高,这意味着需要的半导体能隙较大。半导体能隙又有直接能隙和间接能隙之分。前者在相同动量之间,发光效率高。后者在不同动量之间,发光效率低,需要借助于半导体的晶格振动。砷化镓具有直接能隙,发红外光。而磷化镓具有间接能隙,发可见光。通过调整掺杂浓度,可以产生从红光到绿光的不同波长的可见光。而混合晶体镓磷砷可以具有直接能隙,发光波长也比砷化镓短。这由Holonyak等人1950年代实现。

1950年代也开始用氮化镓发光,但是它的晶体很难生长。1980年代,赤崎勇和天野浩的研究组借助于从卓以和的分子束外延技术改进而成的金属有机物气相外延技术,在晶体生长上取得突破。中村修二的研究组也独立取得类似突破。后来,他们也分别在掺杂上取得进展。特别是,他们分别做出了异质结和量子阱。这是高效发光的关键,因为可以将电子和空穴控制在一个小范围内。两个组在1990年代终于实现了蓝光发射。

 

参考文献:

诺贝尔奖官方资料。




2014年诺贝尔奖
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