蓝光─把崭新的光明带到世界的角落

蓝光─把崭新的光明带到世界的角落
2014年诺贝尔奖颁给了赤崎勇、天野浩、和中村修二，得奖的理由为发明新颖、环保-、节能、蓝色发光二极体，诺贝尔奖的精神是要把奖项颁给对全人类有最大获益的发明。使用蓝色发光二极体，就能用全新的方式制造白光。而LED灯的问市，使得人们现在有比以往的照明设备更加节能的选择。

当赤崎勇、天野浩、和中村修二在十二月初抵达斯德哥尔摩参加诺贝尔颁奖典礼时，他们很难不去注意到他们的发明正遍及在此城市里的所有窗口。白色LED灯发散出的亮白光线，既持久又节能。不仅如此，不像萤光灯，它们不含有毒的水银。
绿色和红色的发光二极体大约半个世纪前就存在了，但直等到蓝色发光二极体被发明出来，照明技术才有真正革命性的发展。因为只有红、绿、蓝色这三种颜色的光合而为一才能够产生为我们照耀世界的白色光。尽管科技业界及学界投注了大量的心力，蓝色发光二极体的研发仍花了30年的时间。
赤崎勇与天野浩是名古屋大学的同事；中村修二则发迹于日本德岛的一家小公司─日亚化学工业公司。当他们三人所研发的二极体终于产生高亮度的蓝色光以后，就引发了光电科技的全面变革。可以说，照亮20世纪的是白炽灯，照亮21世纪的是白色的LED灯。

节省能源与资源
一个发光二极体，是由好几层的半导体物质所构成的。在LED里面，电直接被转化成光，与其他光源相较更为节能，因为其他的光源将大部分的电转换成热能，只有少部分的电转换成光。白炽灯也好，卤素灯也罢，都是使用电流加热灯丝来发光。之前被称为节能灯具的萤光灯，则是藉由电来激发气体，进而产生光和热。在LED灯问世后，萤光灯的节能称号便拱手让出。
因此，相较于以往的照明设备，新的发光二极体仅需少许的能量。今日，LED灯还在持续不断地改良，只为追求更加节能，让每单位输入电能所达到的光通量愈来愈高。关于一颗LED灯的最新记录是每瓦300流明，相较之下，一般白炽灯泡只有每瓦16 流明，日光灯管顶多每瓦70流明。由于全世界的用电量中有四分之一用于照明，LED灯的贡献就是大大节省世界的能源。LED灯也比其他照明设备长寿。在灯丝被烧坏前，白炽灯可以使用约1千个小时，萤光灯则为1万个小时，而LED灯可以使用约10万个小时，因此使用LED灯能让物料的耗损显着地缩小。

从半导体中产生光
LED科技与当今的行动电话、电脑和所有依据量子现象的电子装置，有着相同的工艺。发光二极体掺杂数层半导体材料：n型层的多数导电粒子为带负电荷的电子，而p型层则缺少电子，其多数导电粒子为被描述成带有正电荷的电洞。
在这两者之间是一个活性层，当半导体通上电以后，就会驱动在其间带有负电荷的电子与带有正电荷的电洞。电子和电洞相遇时就会重新结合并发光。至于光的波长则完全要看半导体的材质。用七彩的彩虹来观察，蓝光属于短波光的一端，所具能量较高，只有某些物质能产生蓝光。
历史上第一个描述半导体发光的情形，出现在亨利．朗德1907年的记载，他是1909年诺贝尔奖得主古列尔莫·马可尼的同事。之后在1920、30年代，苏联的奥列格·罗赛夫进行了更进一步的半导体发光研究。但是朗德和奥列格缺少了真正了解这种现象的知识。要等到数十年后建立起电致发光的理论时，才为此种现象提供必要的理论说明。
在1950年代末叶就已发明红色的发光二极体。这些LED被用在电子表和电子计算机上，或是用在不同的装备上显示电源开关的状态。科学家在非常早期就已看出为了制造白光，需要发明具有短波长、高能量光子的蓝色二极体。许多实验室都尝试过，但是都失败了。

挑战常规
这三位获奖的科学家挑战旧有所谓的真理；他们努力工作并冒了极大的风险。他们自己建造设备，学习这领域的科技，并进行了数千次的实验。尽管他们大部份的时间都失败了，但他们并没有因此绝望；这是实验者精神的最高境界。
赤崎勇和天野浩选用氮化镓作为制造蓝光的材料，中村修二也选择同样的材料，他们的努力最终获得了成功，只因走在他们之前所有的失败者都没有使他们心生动摇。在此项研究的早期，研究者认为这项材料比较适合拿来生产蓝光，但是实际操作起来却非常困难，因为要在其上制造合适的表面让氮化镓生长结晶，咸认是一项不可能的任务。除此之外，在这个材质上也几乎不可能产生p型层。
但是，赤崎勇还是坚信先前的经验，认为选用这个材料是正确的，便继续和当时正在攻读博士的天野浩一起研究。在日亚化学工业任职的中村修二也选择了氮化镓而非硒化锌。

要有光
在1986年，赤崎勇和天野浩首次成功产生高品质的氮化镓结晶，他们放置一层氮化铝在蓝宝石基板上，然后在最上面生成高品质的氮化镓结晶。直到1980年代晚期，他们在产生p型层上有了重大的发展。赤崎勇和天野浩误打误撞地发现，他们的材料在放射性扫描电子显微镜之下，会更加剧烈地发光。这意味着显微镜的电子束让p型层运作得更有效。到了1992年，他们展示出第一个能照射出亮蓝光线的二极体。
中村修二在1988年开始研发他的蓝色LED。二年后，他也成功地生成高品质的氮化镓。他发现一个聪明的方法来生成结晶：他先在低温下生成一抹薄薄的氮化镓，之后将温度升高来生成后续的其他薄层。
中村修二同时可以解释为什么赤崎勇和天野浩可以成功产生p型层：电子束移除防止Ｐ型层形成的氢。中村修二自己则用了更简单更便宜的方法来取代电子光束：他在1992年，藉着加热所使用的材料，使他产生能运作良好的p型层。因此，中村修二的所采取的解决方法和赤崎勇和天野浩并不相同。
在1990年代，这两个研究的团队也成功地进一步改良蓝色LED，使它们更有效能。他们使用铝或铟，来与氮化镓铸造成不同的合金，发光二极体的构造也变得更复杂。
赤崎勇和天野浩一起，还有中村修二，都发明了蓝光雷射，而大小如沙粒般的蓝色LED是其中重要的元件。蓝光雷射与LED四散的光线不同，会发射一道锋利的光束。因为蓝光的波长很短，可以更紧密地聚合在一起；若在同样的区域，蓝光可以比红外线光储存多4倍的资讯。蓝光雷射增加储存容量的优异能力，旋即促使人们发明有更长播放时间的蓝光光碟，也促进人们发明更好的雷射印表机。
很多家用的装置也都配有LEDs。电视、电脑、手机配有LED萤幕，相机也有LED提供光源和闪光。

图解：LED灯只需要更低的电力就能比其它的灯发出更亮的光。灯泡的效能是以每一单位的电功率所产生的光通量为评判标准。由于世界上的电力大约有四分之一用于照明，使用高度节能的LED灯就能协助节省地球上的资源。

光明的解决之道
三位得奖者的发明在照明科技这个领域上引领了突破性的大变革。更新颖、更节能、更便宜、更聪明的灯泡还在不断研发当中。白色的LED灯有两种不同的制造方式。方式一是使用蓝光去刺激磷光体，使其同时激发出红色和绿色的光；当所有的光聚集在一起，白光就产生了。另一个方法是把灯设计成结合红、绿、蓝这三种颜色的LED灯，让眼睛自己去把这三种色光揉合成白光。
因为LED灯有如此大的弹性，早已广泛应用在照明的领域－可以制造出数百万种不同的色光；光的颜色和亮度可依需求做变化；五彩缤纷的光板，面积可达好几百平方公尺，既可闪光，也可改变颜色和花色；而且所有这些都可以用电脑控制！这个可以控制光的颜色的可能性，也意味着LED灯可以复制自然光的变换，也可依照我们的生理时钟变换颜色。使用人照光来进行温室栽种如今也已经实现。
当提到可能可以藉由LED灯，为超过15亿活在无电缆系统的人们增加生活的品质时，LED灯代表的是美好的愿景，因为这种灯源耗电量低，只需当地便宜的太阳能发电就能使人享有光明。此外，使用紫外线LED灯就可以把受污染的水消毒，而这又是继发明蓝色LED后的一大杰作。
蓝色LED问世虽然只有20年，但早已在创造白光一事上居功至伟，并以全新的方法造福世界上的每一份子。

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