【2014諾貝爾物理獎特別報導】藍光─把嶄新的光明帶到世界的角落

【2014諾貝爾物理獎特別報導】藍光─把嶄新的光明帶到世界的角落

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2014諾貝爾物理獎特別報導:藍光─把嶄新的光明帶到世界的角落
高瞻計畫特約編譯 潘ㄧ帆/國立臺灣大學物理學系王名儒教授責任編輯

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LED (圖片來源:維基百科)

今年諾貝爾獎頒給了赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)、和中村修二(Shuji Nakamura),得獎的理由為發明新穎、環保­、節能、藍色發光二極體(LED),諾貝爾獎的精神是要把獎項頒給對全人類有最大獲益的發明。使用藍色發光二極體(LED),就能用全新的方式製造白光。而LED燈的問市,使得人們現在有比以往的照明設備更加節能的選擇。

 

當赤崎勇、天野浩、和中村修二在十二月初抵達斯德哥爾摩(瑞典首都)參加諾貝爾頒獎典禮時,他們很難不去注意到他們的發明正遍及在此城市裡的所有窗口。白色LED燈發散出的亮白光線,既持久又節能。不僅如此,不像螢光燈,它們不含有毒的水銀。

綠色和紅色的發光二極體大約半個世紀前就存在了,但直等到藍色發光二極體被發明出來,照明技術才有真正革命性的發展。因為只有紅、綠、藍色這三種顏色的光合而為一才能夠產生為我們照耀世界的白色光。儘管科技業界及學界投注了大量的心力,藍色發光二極體的研發仍花了30年的時間。

nobelprize-with-portraits-3names-physics赤崎勇與天野浩是名古屋大學的同事;中村修二則發跡於日本德島的一家小公司─日亞化學工業公司。當他們三人所研發的二極體終於產生高亮度的藍色光以後,就引發了光電科技的全面變革。可以說,照亮20世紀的是白熾燈,照亮21世紀的是白色的LED燈。

節省能源與資源

一個發光二極體,是由好幾層的半導體物質所構成的。在LED裡面,電直接被轉化成光(光子),與其他光源相較更為節能,因為其他的光源將大部分的電轉換成熱能,只有少部分的電轉換成光。白熾燈也好,鹵素燈也罷,都是使用電流加熱燈絲來發光。之前被稱為節能燈具的螢光燈,則是藉由電來激發氣體,進而產生光和熱。在LED燈問世後,螢光燈的節能稱號便拱手讓出。

因此,相較於以往的照明設備,新的發光二極體僅需少許的能量。今日,LED燈還在持續不斷地改良,只為追求更加節能,讓每單位輸入電能所達到的光通量愈來愈高。關於一顆LED燈的最新記錄是每瓦300流明(300 lm/W),相較之下,一般白熾燈泡只有每瓦16 流明,日光燈管頂多每瓦70流明(瓦是電功率的單位,流明則是光通量的單位)。由於全世界的用電量中有四分之一用於照明,LED燈的貢獻就是大大節省世界的能源。

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發光二極體的原理- LED(左上) 與藍色LED燈圖示。

LED燈也比其他照明設備長壽。在燈絲被燒壞前,白熾燈可以使用約1千個小時,螢光燈則為1萬個小時,而LED燈可以使用約10萬個小時,因此使用LED燈能讓物料的耗損顯著地縮小。

從半導體中產生光

LED科技與當今的行動電話、電腦和所有依據量子現象的電子裝置,有著相同的工藝。發光二極體摻雜數層半導體材料:n型層的多數導電粒子為帶負電荷的電子,而p型層則缺少電子,其多數導電粒子為被描述成帶有正電荷的電洞。

在這兩者之間是一個活性層,當半導體通上電以後,就會驅動在其間帶有負電荷的電子與帶有正電荷的電洞。電子和電洞相遇時就會重新結合並發光。至於光的波長則完全要看半導體的材質。用七彩的彩虹來觀察,藍光屬於短波光的一端,所具能量較高,只有某些物質能產生藍光。

歷史上第一個描述半導體發光的情形,出現在亨利.朗德(Henry J. Round)1907年的記載,他是1909年諾貝爾獎得主古列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi)的同事。之後在1920、30年代,蘇聯的奧列格·羅賽夫(Oleg V. Losev)進行了更進一步的半導體發光研究。但是朗德和奧列格缺少了真正了解這種現象的知識。要等到數十年後建立起電致發光的理論時,才為此種現象提供必要的理論說明。

在1950年代末葉就已發明紅色的發光二極體。這些LED被用在電子錶和電子計算機上,或是用在不同的裝備上顯示電源開關的狀態。科學家在非常早期就已看出為了製造白光,需要發明具有短波長、高能量光子的藍色二極體。許多實驗室都嘗試過,但是都失敗了。

挑戰常規

這三位獲獎的科學家挑戰舊有所謂的「真理」;他們努力工作並冒了極大的風險。他們自己建造設備,學習這領域的科技,並進行了數千次的實驗。儘管他們大部份的時間都失敗了,但他們並沒有因此絕望;這是實驗者精神的最高境界。

赤崎勇和天野浩選用氮化鎵作為製造藍光的材料,中村修二也選擇同樣的材料,他們的努力最終獲得了成功,只因走在他們之前所有的失敗者都沒有使他們心生動搖。在此項研究的早期,研究者認為這項材料比較適合拿來生產藍光,但是實際操作起來卻非常困難,因為要在其上製造合適的表面讓氮化鎵生長結晶,咸認是一項不可能的任務。除此之外,在這個材質上也幾乎不可能產生p型層。

但是,赤崎勇還是堅信先前的經驗,認為選用這個材料是正確的,便繼續和當時正在攻讀博士的天野浩一起研究。在日亞化學工業任職的中村修二也選擇了氮化鎵而非硒化鋅(那時其他人認為選用硒化鋅成功的希望比較大)。

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(圖片來源:維基百科)

「要有光」

在1986年,赤崎勇和天野浩首次成功產生高品質的氮化鎵結晶,他們放置一層氮化鋁在藍寶石基板上,然後在最上面生成高品質的氮化鎵結晶。直到1980年代晚期,他們在產生p型層上有了重大的發展。赤崎勇和天野浩誤打誤撞地發現,他們的材料在放射性掃描電子顯微鏡之下,會更加劇烈地發光。這意味著顯微鏡的電子束讓p型層運作得更有效。到了1992年,他們展示出第一個能照射出亮藍光線的二極體。

中村修二在1988年開始研發他的藍色LED。二年後,他也成功地生成高品質的氮化鎵。他發現一個聰明的方法來生成結晶:他先在低溫下生成一抹薄薄的氮化鎵,之後將溫度升高來生成後續的其他薄層。

中村修二同時可以解釋為什麼赤崎勇和天野浩可以成功產生p型層:電子束移除防止P型層形成的氫。中村修二自己則用了更簡單更便宜的方法來取代電子光束:他在1992年,藉著加熱所使用的材料,使他產生能運作良好的p型層。因此,中村修二的所採取的解決方法和赤崎勇和天野浩並不相同。

在1990年代,這兩個研究的團隊也成功地進一步改良藍色LED,使它們更有效能。他們使用鋁或銦,來與氮化鎵鑄造成不同的合金,發光二極體的構造也變得更複雜。

赤崎勇和天野浩一起,還有中村修二,都發明了藍光雷射,而大小如沙粒般的藍色LED是其中重要的元件。藍光雷射與LED四散的光線不同,會發射一道鋒利的光束。因為藍光的波長很短,可以更緊密地聚合在一起;若在同樣的區域,藍光可以比紅外線光儲存多4倍的資訊。藍光雷射增加儲存容量的優異能力,旋即促使人們發明有更長播放時間的藍光光碟,也促進人們發明更好的雷射印表機。

很多家用的裝置也都配有LEDs。電視、電腦、手機配有LED螢幕,相機也有LED提供光源和閃光。

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LED燈只需要更低的電力就能比其它的燈發出更亮的光。燈泡的效能是以每一單位的電功率(單位為瓦)所產生的光通量為評判標準。由於世界上的電力大約有四分之一用於照明,使用高度節能的LED燈就能協助節省地球上的資源。

光明的解決之道

三位得獎者的發明在照明科技這個領域上引領了突破性的大變革。更新穎、更節能、更便宜、更聰明的燈泡還在不斷研發當中。白色的LED燈有兩種不同的製造方式。方式一是使用藍光去刺激磷光體,使其同時激發出紅色和綠色的光;當所有的光聚集在一起,白光就產生了。另一個方法是把燈設計成結合紅、綠、藍這三種顏色的LED燈,讓眼睛自己去把這三種色光揉合成白光。

因為LED燈有如此大的彈性,早已廣泛應用在照明的領域-可以製造出數百萬種不同的色光;光的顏色和亮度可依需求做變化;五彩繽紛的光板,面積可達好幾百平方公尺,既可閃光,也可改變顏色和花色;而且所有這些都可以用電腦控制!這個可以控制光的顏色的可能性,也意味著LED燈可以複製自然光的變換,也可依照我們的生理時鐘變換顏色。使用人照光來進行溫室栽種如今也已經實現。

當提到可能可以藉由LED燈,為超過15億活在無電纜系統的人們增加生活的品質時,LED燈代表的是美好的願景,因為這種燈源耗電量低,只需當地便宜的太陽能發電就能使人享有光明。此外,使用紫外線LED燈就可以把受汙染的水消毒,而這又是繼發明藍色LED後的一大傑作。

藍色LED問世雖然只有20年,但早已在創造白光一事上居功至偉,並以全新的方法造福世界上的每一份子。

 


本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/popular-physicsprize2014.pdf

 

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