为什么蓝色 LED 值得获得诺贝尔奖

此外,简述一下半导体发光的历史
PiccoloNamek / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

三位科学家因在蓝色 LED(发光二极管)方面的工作共同获得了诺贝尔物理学奖。为什么是蓝色呢?因为蓝色是制造白色 LED 灯所必需的、也是最难实现的最后一步。而有了白色 LED 灯,公司就能制造出智能手机和电脑屏幕,以及比以往任何灯泡都更长寿、更节能的灯泡。

LED 本质上是半导体,它们被构建成在激活时发光。不同的化学物质赋予不同的 LED 不同的颜色。工程师们在 20 世纪 50 年代和 60 年代制造了第一批 LED。早期版本包括激光发光器件,这些器件只能在液氮中工作。当时,科学家们开发出了发出从红外光到绿光的 LED……但他们就是无法实现蓝色。这需要他们当时还无法在实验室中制造出的化学物质,包括精心培育的晶体。

然而,一旦他们做到了,结果就令人瞩目。现代白色 LED 灯泡能将超过 50% 的用电量转化为光。相比之下,白炽灯的转化率仅为 4%,这真是一款高效的灯泡。除了为所有用户节省金钱和电力外,白色 LED 的效率也使其成为为那些生活在没有电力供应地区的居民提供照明的理想选择。太阳能装置可以为 LED 灯充电,使其持续使用很长时间,从而让孩子们可以在晚上做作业,小企业也可以在天黑后继续经营。

现代白色 LED 灯泡能将超过 50% 的用电量转化为光。相比之下,白炽灯的转化率仅为 4%。

LED 的寿命可达 100,000 小时,而荧光灯为 10,000 小时,白炽灯为 1,000 小时。将更多房屋和建筑改用 LED 照明,可以显著降低全球照明的电力和材料消耗。

用蓝色 LED 很容易制造出白色 LED。工程师使用蓝色 LED 来激发灯泡中的某种荧光化学物质。这会将蓝光转换为白光。

今年的两位获奖者——赤崎勇(Isamu Akasaki)和天野浩(Hiroshi Amano)——合作生产了高质量的氮化镓(gallium nitride),这是一种存在于蓝色 LED 许多层中的化学物质。之前的红色和绿色 LED 使用磷化镓(gallium phosphide),这种物质更容易生产。赤崎和天野发现了如何向氮化镓半导体中添加化学物质,使其能高效发光。两人构建了由氮化镓合金层组成的结构。

第三位获奖者中村修二(Shuji Nakamura)也致力于制造高质量的氮化镓。他弄清楚了为什么用某些化学物质处理的氮化镓半导体能够发光。他构建了自己的氮化镓合金基结构。

诺贝尔物理学委员会在声明中表示,中村修二和赤崎勇的团队将继续致力于制造效率更高的蓝色 LED。中村修二目前是加州大学圣巴巴拉分校的教授,尽管他最初是在一家名为 Nichia Chemical Corporation 的小型日本化学公司开始他的 LED 研究的。赤崎勇和天野浩是日本名古屋大学的教授。

诺贝尔委员会写道,未来,工程师们可能会通过组合红色、绿色和蓝色 LED 来制造白色 LED,这将产生一种可调颜色的光源。

诺贝尔奖

 

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Francie Diep 是一位居住在加利福尼亚州圣巴巴拉的科学记者。除了《Popular Science》,她的作品还发表在《Scientific American》、《Smithsonian》及其他刊物上。她对基因、细胞、机器人、档案馆以及互联网上的奇特内容着迷。

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