Skip to main content

从今年的诺贝尔物理学奖说开去

发信人: ILC (sleepy), 信区: Physics
标  题: 从今年的诺贝尔物理学奖说开去
发信站: BBS 未名空间站 (Tue Oct 14 04:39:40 2014, 美东)

从今年的诺贝尔物理学奖说开去

(一)

Nobel2014.jpg;
Nick_LED.jpg;

    今年10月7日,诺贝尔物理学奖颁给了三位科学家:I. Akasaki, H. Amano和 S.
Nakamura,获奖理由是“Efficient Blue LED Leading to Bright and Energy-Saving
White Light Sources”. 对于今年的物理学奖,没有人比Nick Holonyak, Jr. 更加
失望的了。毕竟无论从哪个角度看,LED领域获得诺贝尔奖,不应该少了第一个可见光
波段LED的发明者Nick Holonyak。如果从今年诺贝尔物理奖所给出的如此具体且精确的
理由来说,今年这三位科学家获奖确实没有争议,但是这并不意味着今年这个物理奖发
的就没有问题。相反,今年的奖颁得颇具争议,这是因为这个颁奖理由太过于狭窄,不
仅完全忽略掉了LED/半导体激光器领域许多先驱的贡献,更重要的是它忽略掉了整个领
域里面最重要的也是历来诺贝尔奖最为看重的“原创性”。整体而言,今年的物理奖相
当于说诺贝尔奖没有颁给莱特兄弟而发给了几十年后出来的喷气式飞机,尽管事实上无
论是莱特兄弟发明的飞机还是后来的喷气式飞机也没有获得诺贝尔奖。再比如1987年的
诺贝尔奖颁给了伯诺兹和缪勒,而并没有颁给第一个做出超导转变温度在液氮温区以上
的朱经武。人们一直一来所宣称的就是诺贝尔奖注重想法和工作的原创性,而不是颁给
后面做出的后续重大贡献,今年的颁奖正好完全相反。

    无论如何,LED发明人的贡献不应该被忽略。即便是单就蓝光LED而言,这三个人也
不是最早做出蓝光LED的科学家,在他们之前就有人用GaN, SiC等材料做出过蓝光LED,
只不过发的光不如后来的“efficient blue LED”这么强罢了。(第一个基于GaN的蓝
光LED诞生于1971年,第一个商用SiC蓝光LED出现于1989年,参见wikipedia: “The
first blue LEDs using gallium nitride were made in 1971 by Jacques Pankove
at RCA Laboratories. In August 1989, Cree Inc. introduced the first
commercially available blue LED based on the indirect bandgap semiconductor,
silicon carbide.”,此外,第一个GaN蓝光LED的专利于1973年申请,在1974年获批:
Patent US3819974 A for a blue LED based on GaN was issued to D Stevenson, H
Maruska, and W Rhines. Filed Mar 12, 1973, Issued Jun 25, 1974)。可以看到
,今年获奖的三位科学家并不是首先发明蓝光LED的人,这也就是为什么今年诺贝尔奖
颁布的理由中有个非常重要的定语不能缺失 -“efficient”。这三位科学奖的贡献是
通过一系列非常重要的技术改进把先前的蓝光LED的发光效率大幅提高,而并不是原创
性的发明蓝光LED。这里需要指出的是并没有任何贬低其工作的含义,相反我觉得他们
的工作确实是及其重要的技术突破,正是由于他们的杰出工作才使得蓝光LED可以被大
规模应用于人们生活的许多方面。但是无论是从物理意义上还是从改变人们的认知的角
度上来说, LED的发明才真正是物理上和概念上的原创和突破。因此,今年获奖者中第
一个可见光波段LED的发明者Nick Holonyak, Jr.的缺席是无论如何也说不过去的。

(二)
    关于为什么是蓝光LED而不是最早可见光波段的红光LED获得诺贝尔奖,网上有一种
说法,他们说“因为基于GaN的蓝光LED做出来很难,而基于GaAs的红光LED很简单”。
这种说法很荒谬,完全站不住脚。在红光LED/半导体激光器出来之前,人们甚至都不知
道可以用semiconductor alloy来产生可见光波段的光输出。在Nick Holonyak之前,人
们已经实现了GaAs的P-N结并实现了红外光的输出(因为GaAs材料的带隙是1.4eV)。同
在通用电气公司工作的R. N. Hall用GaAs 材料实现了世界上第一个半导体激光器,而
Nick Holonyak目标是实现可见光波段的红光半导体激光器。他的思路是在直接带隙的
GaAs里面掺入一定量的间接带隙的GaP,以此形成直接带隙的三元合金GaAsP。这样一来
,能带宽度被提高了,从而发出波长比红外更短的红光。当时有许多人都觉得这条路行
不通,而Nick Holonyak坚持自己的想法,自己用石英管和加热器搭建了闭循环气相外
延反应设备,在其中放入原料GaAs和GaP并加热然后冷却沉积的办法令人难以置信地成
功生长出了GaAsP合金。然后他在GaAsP材料基础上做出P-N结,并通过将器件的端面进
行研磨抛光的办法来产生Fabry-Perot共振腔(他也创造性地提出了用半导体端面自然
解理的办法来实现Fabry-Perot共振腔),从而第一次产生了红光的激光输出。通过破
坏掉共振腔或升高器件的周围环境温度,就自然实现了红光的非相干光的输出(也就是
世界上第一个红光LED)。图为Nick Holonyak和世界上第一个红光半导体激光器。

Nick1962.jpg;

    从这看出在Nick Holonyak之前,人们并没有意识到可以通过Semiconductor alloy
(GaAs是一个二元化合物半导体,不算合金)的方式来调节能带的宽度从而实现可见光
的输出。是Nick Holonyak第一个提出并实现这个想法,而这个工作也是真正意义上的
能带工程和量子调控。可以毫不过分的说,这个工作的物理意义是尤其深远的。没有这
个半导体合金,人们只能通过寻找有限的几种具有直接带隙的二元III-V或II-IV化合物
材料来实现有限几个离散的特定波长范围的光学输出。而通过改变合金组分人们才可以
连续的调节材料的带隙,从而实现大范围连续光谱波段的覆盖。事实上,人们也正是沿
着这条路才逐步发展出今天各种三元/四元化合物半导体以满足不同的需求。今天,人
们已经对于通过调节半导体合金组分来实现习以为常了。许多人似乎从来就认为这是一
个很自然的事情,而并不曾意识到这一切的开端正是Nick Holonyak的第一个红光半导
体激光器/LED的发明。

    此外,也正是第一支可见光波段而不是之前红外波段的LED的诞生,才让人真正看
到LED被用做照明的可能性,从而真正开启了固态照明的时代,并让人们意识到LED才是
真正意义上的终极节能照明光源(因为理论上LED光电转换效率可以达到100%)。因此
,诺贝尔物理奖颁给半导体红光LED/激光器才是更贴近其物理奖的本质,相反
efficient blue LED尽管其技术突破的工程意义非常巨大(再一次的,这里并没有任何
贬低工程技术的意思),但就物理意义上的创新和对人们认知的突破而言实在不如第一
个LED的诞生来的重大。

    不能因为前人把红光LED做出来了就回过头来说红光LED很简单,任何事物被第一个
人发明出来之前都是困难的,否则为什么是这个人发明而不是其他人先发明的。如果套
用这个“红光LED很简单”的逻辑,我也可以同样说efficient Blue LED也很简单。因
为由于今年三位获奖者的突破并实现efficient blue LED后,现在这么多公司,研究组
都能生产更高光电转换效率的blue LED了,岂不也是很简单?

    另外网上有人提出“现在红光LED都没人用了“,”以前的红光等LED都不够亮”等
等理由那就更不值一驳了。在Nick Holonyak的第一个红光LED诞生之后许许多多的科学
家和工程师(里面有许多重大贡献都是由Nick Holonyak及其学生/合作者作出的)都在
致力于提高光电转换效率和覆盖更大的输出波长范围,红光黄光的高亮度LED也早就问
世并一直在进步。另外且不说之前红绿LED都被用在信号显示方面,单说现在,红光LED
(现在普遍用的是InAlGaP这个四元组分合金)已经越来越多的用在汽车尾灯,交通指
示灯等方面。在可预见的将来将会全面替代普通的灯泡在上述领域的应用。由于这些应
用需要直接的红光输出,用蓝光LED加荧光粉的做法显然不够节能。图为LED效率改进图
和Audi的LED车尾灯(基于InAlGaP红光LED)。

LEDefficiency.jpg;
Audi-Q5_2013.jpg;

(三)

    今年的三位获奖者的突破有相当大的因素是建立在这个领域里的许多先驱的重大贡
献的基础上的,跳过各个先驱的重大贡献而直接颁给在蓝光LED领域取得重大突破的三
位科学家就如“好比一个奴隶放上了金字塔顶端最后一块砖就将建造整个金字塔的贡献
都归于他”一样。下面就来稍微说一下这个领半导体激光器/照明领域里面的一系列的
重大贡献,而这些都与Holonyak以及其他科学家和合作者的先驱贡献分不开:

1.    通过调节Semiconductor Alloy组分的途径来调节能带宽度和输出波长,此前已
经讲过了,不再赘述。

2.    高亮度Blue LED的后续结构发展中通过引入半导体量子阱(Quantum well)来提
高复合载流子的态密度从而实现更高亮度的光输出。而这个概念的实现也跟Holonyak的
先驱工作密不可分。世界上首次通过电流注入来实现激光输出的量子阱激光器(
Quantum well laser)最早是Holonyak和他的学生在1977年用液相外延生长加上的办法
实现的。

1977QWLaserSpectrum.png;

3.    三位科学家用来生长GaN LED材料的所需的MOCVD技术的引入:第一个将MOCVD生
长方法引入化合物半导体材料生长并成功长出高质量材料的是Nick Holonyak的学生
Dupuis和Dapkus 在1970年代实现的。由于这些先驱的杰出贡献现如今MOCVD已经是一个
半导体光电子材料生长领域里面的两大主流之一了。而另外一大主流就是以A. Y. Cho
与J. R. Arther发明的分子束外延技术。图为R. Dupuis和他的第一台MOCVD:

MOCVD.jpg;

    因此,综合以上各点,尽管今年的三个得奖人在蓝光LED领域的贡献非常大,但物
理奖颁给"efficient blue LED"而完全忽略掉了第一个半导体LED/激光器(红外和可见
光波段)实在是有失恰当和公正,原因在于它忽略掉了整个LED领域里面最重要的原创
性的贡献。


(四)写在本文结束之后的一些随想

    今年的诺贝尔物理奖也不是第一次诺贝尔奖错过其发明人了,当年梅曼第一个做出
激光器却没有获奖,有关激光的发明归属的种种纷争可以参见梅曼的《The Laser
Odyssey》一书以及网上的各种资料,其中网上发表的《纪念激光发明50年曁NB颁奖季
节讨论NB奖》一文写的非常生动活泼且史料翔实,值得一读。http://wenku.baidu.com /link?url=sQq10C9PsbRu1vgnaPHvdoKBYxSHBWtKXzXlBFnrD5gDJtbndvCAiKt-y953-yV6kecRYQGbUvYFmZ6ezFGlvI747YZSTb9lDtwfHxnu0T7

    自20世纪60年代初的激光诞生以来,美苏两大阵营你追我赶,重要的突破层出不穷
,直接推动了激光在各个领域里的大规模应用。而其中非常重要的半导体激光器和光纤
的诞生催生了现代光电子工业,加上以晶体管和集成电路为代表的现代电子工业直接推
动了信息时代的到来。从20世纪60年代初到现在的50多年中,Nick Holonyak及其合作
者几乎每十年都有对于整个光电子领域非常重要的突破性贡献。如果有心仔细研究当年
的发现之旅,可以看到几乎所有重要的原始性创新都是利用手头有限的资源和设备来完
成的。第一个红光LED/半导体激光器的材料生长是如此,而后量子阱激光器的诞生也是
如此。当时MBE才刚刚被贝尔实验室的卓以和发明出来不久,作为大学里的实验室是无
法负担如此昂贵的设备的。而一般的液相外延技术无法精确控制材料生长的厚度,要利
用通常较为简易的液相外延的设备长出超薄的量子阱结构,一般认为是不可能的。但是
Nick和他的学生却不这么认为。经过反复的思考,他们创造性的给液相外延设备上加
装了由电机驱动控制的rotating boat system,从而成功长出了量子阱以及超晶格结构
,最终抢在贝尔实验室等一些掌握大量资源的竞争对手之前第一个做出电流泵浦的量子
阱激光器。在1997年Holonyak的回顾半导体激光发展35年的综诉论文中,他这样写道:
“Whether it was appreciated or not, the QW laser (as yet unnamed), a diode
laser, was introduced via LPE, not by MOCVD, nor by MBE, which came still
later.”。从Nick Holonyak等人的许多先驱工作可以看到,真正的原始性创新和新概
念的实现并不一定需要非常先进的仪器设备,如何充分利用手头有限的资源来完成目标
这也是真正值得我们学习的地方。

--
※ 修改:·ILC 於 Oct 15 00:02:03 2014 修改本文·[FROM: 69.]
※ 来源:·WWW 未名空间站 网址:mitbbs.com 移动:在应用商店搜索未名空间·[FROM: 69.]

此主题相关图片如下:
Nobel2014.jpg
(44594 字节) [删除]

此主题相关图片如下:
Nick_LED.jpg
(64875 字节) [删除]

此主题相关图片如下:
Nick1962.jpg
(59769 字节) [删除]

此主题相关图片如下:
LEDefficiency.jpg
(194598 字节) [删除]

此主题相关图片如下:
Audi-Q5_2013.jpg
(217861 字节) [删除]

此主题相关图片如下:
1977QWLaserSpectrum.png
(21349 字节) [删除]

此主题相关图片如下:
MOCVD.jpg
(399598 字节) [删除]
http://gengwg.blogspot.com/

Comments

Popular posts from this blog

OWASP Top 10 Threats and Mitigations Exam - Single Select

Last updated 4 Aug 11 Course Title: OWASP Top 10 Threats and Mitigation Exam Questions - Single Select 1) Which of the following consequences is most likely to occur due to an injection attack? Spoofing Cross-site request forgery Denial of service   Correct Insecure direct object references 2) Your application is created using a language that does not support a clear distinction between code and data. Which vulnerability is most likely to occur in your application? Injection   Correct Insecure direct object references Failure to restrict URL access Insufficient transport layer protection 3) Which of the following scenarios is most likely to cause an injection attack? Unvalidated input is embedded in an instruction stream.   Correct Unvalidated input can be distinguished from valid instructions. A Web application does not validate a client’s access to a resource. A Web action performs an operation on behalf of the user without checking a shared sec

CKA Simulator Kubernetes 1.22

  https://killer.sh Pre Setup Once you've gained access to your terminal it might be wise to spend ~1 minute to setup your environment. You could set these: alias k = kubectl                         # will already be pre-configured export do = "--dry-run=client -o yaml"     # k get pod x $do export now = "--force --grace-period 0"   # k delete pod x $now Vim To make vim use 2 spaces for a tab edit ~/.vimrc to contain: set tabstop=2 set expandtab set shiftwidth=2 More setup suggestions are in the tips section .     Question 1 | Contexts Task weight: 1%   You have access to multiple clusters from your main terminal through kubectl contexts. Write all those context names into /opt/course/1/contexts . Next write a command to display the current context into /opt/course/1/context_default_kubectl.sh , the command should use kubectl . Finally write a second command doing the same thing into /opt/course/1/context_default_no_kubectl.sh , but without the use of k

标 题: 关于Daniel Guo 律师

发信人: q123452017 (水天一色), 信区: I140 标  题: 关于Daniel Guo 律师 关键字: Daniel Guo 发信站: BBS 未名空间站 (Thu Apr 26 02:11:35 2018, 美东) 这些是lz根据亲身经历在 Immigration版上发的帖以及一些关于Daniel Guo 律师的回 帖,希望大家不要被一些马甲帖广告帖所骗,慎重考虑选择律师。 WG 和Guo两家律师对比 1. fully refund的合约上的区别 wegreened家是case不过只要第二次没有file就可以fully refund。郭家是要两次case 没过才给refund,而且只要第二次pl draft好律师就可以不退任何律师费。 2. 回信速度 wegreened家一般24小时内回信。郭律师是在可以快速回复的时候才回复很快,对于需 要时间回复或者是不愿意给出确切答复的时候就回复的比较慢。 比如:lz问过郭律师他们律所在nsc区域最近eb1a的通过率,大家也知道nsc现在杀手如 云,但是郭律师过了两天只回复说让秘书update最近的case然后去网页上查,但是上面 并没有写明tsc还是nsc。 lz还问过郭律师关于准备ps (他要求的文件)的一些问题,模版上有的东西不是很清 楚,但是他一般就是把模版上的东西再copy一遍发过来。 3. 材料区别 (推荐信) 因为我只收到郭律师写的推荐信,所以可以比下两家推荐信 wegreened家推荐信写的比较长,而且每封推荐信会用不同的语气和风格,会包含lz写 的research summary里面的某个方面 郭家四封推荐信都是一个格式,一种语气,连地址,信的称呼都是一样的,怎么看四封 推荐信都是同一个人写出来的。套路基本都是第一段目的,第二段介绍推荐人,第三段 某篇或几篇文章的abstract,最后结论 4. 前期材料准备 wegreened家要按照他们的模版准备一个十几页的research summary。 郭律师在签约之前说的是只需要准备五页左右的summary,但是在lz签完约收到推荐信 ,郭律师又发来一个很长的ps要lz自己填,而且和pl的格式基本差不多。 总结下来,申请自己上心最重要。但是如果选律师,lz更倾向于wegreened,