天津理工大學(xué)選修課都市植物工廠最終論文

1、天津理工大學(xué)結(jié)課報(bào)告結(jié) 課 報(bào) 告課程名稱：都市植物工廠2014年物理諾獎(jiǎng)獲得者中村修二及其藍(lán)光LED技術(shù)題 目： 2014年物理諾獎(jiǎng)獲得者中村修二及其藍(lán)光LED技術(shù)姓 名： 豐 寧 年級(jí)專業(yè)： 通信工程 姓 名： 劉 駿 年級(jí)專業(yè)： 機(jī)械工程 姓 名： 張文倩 年級(jí)專業(yè)：電子信息工程 任課教師：王達(dá)健時(shí) 間：2014年 11月 15日 相關(guān)文獻(xiàn)：LED植物工廠全球知名LED制造商首爾半導(dǎo)體對(duì)其技術(shù)顧問(wèn)、同時(shí)也是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校物理學(xué)教授的中村修二先生獲得2014諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表示熱烈祝賀，對(duì)能從被譽(yù)為藍(lán)光LED之父的中村修二教授那里得到技術(shù)指導(dǎo)并進(jìn)行共同研發(fā)而感到自豪。LED燈

2、點(diǎn)亮21世紀(jì)，省電節(jié)能全球受益。10月7日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)聯(lián)合授予日本科學(xué)家的赤崎勇，天野浩以及美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的美籍日裔科學(xué)家中村修二，以表彰他們?cè)诎l(fā)明一種新型高效節(jié)能光源方面的貢獻(xiàn)，即藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)，為能源節(jié)省開(kāi)拓了新空間。高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”被稱為20世紀(jì)的一項(xiàng)偉大發(fā)明，發(fā)明者就是日本科學(xué)家中村修二。有了它，通過(guò)與紅色和綠色LED組合，才可能出現(xiàn)全彩色LED屏幕，并產(chǎn)生能夠取代白熾燈和熒光燈的新一代節(jié)能照明燈具。事實(shí)上，科學(xué)界先前在發(fā)明藍(lán)光LED方面已付出數(shù)十年努力，卻沒(méi)有取得突破。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)說(shuō)，這3名科學(xué)家“在其他人已經(jīng)失

3、敗的地方獲得了成功。不同于大多數(shù)諾獎(jiǎng)得主一臉笑意，日本人中村修二好像總是很生氣。即便是獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以后的照片，他也是眉毛倒豎、眼神堅(jiān)毅?！皯嵟俏胰康膭?dòng)因，如果沒(méi)有憋著一肚子氣，就不會(huì)成功?！敝写逍薅偨Y(jié)說(shuō)。圖1 中村修二獲諾獎(jiǎng)時(shí)的照片1. 上司每次見(jiàn)到我都會(huì)說(shuō)，你怎么還沒(méi)有辭職？很難想象，這位新晉諾獎(jiǎng)得主曾經(jīng)的夢(mèng)想是當(dāng)一名快樂(lè)的奶爸。中村大學(xué)時(shí)就已結(jié)婚生子，為了不“因?yàn)槭聵I(yè)舍棄生活”，他1979年畢業(yè)時(shí)放棄了大城市的工作機(jī)會(huì)，選擇了妻子家鄉(xiāng)德島縣一家名叫日亞化工的企業(yè)。在這個(gè)一切以產(chǎn)品銷售為導(dǎo)向的小公司里，技術(shù)員中村的日子并不好過(guò)。他在研究上的突破不被重視，被稱為“吃白飯的

4、”，“上司每次見(jiàn)到我都會(huì)說(shuō)，你怎么還沒(méi)有辭職？ 把我氣得發(fā)抖?！敝写寤貞浀馈＿@位憤怒青年決定選擇開(kāi)發(fā)高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管，以此證明自己。當(dāng)時(shí)，紅光與綠光二極管已發(fā)展成熟，只缺高效率的藍(lán)光二極管，就能夠獲得可用于照明的白色二極管光源。不過(guò)，當(dāng)時(shí)大多數(shù)研究者選擇了氧化鋅跟硒化鋅作為發(fā)光材料。出于“做比較少人做的題目才有發(fā)展機(jī)會(huì)”的想法，中村選擇了另一種材料氮化鎵。和他作出同樣選擇的還有名古屋大學(xué)的赤崎勇師徒。“他們幾乎是在同一時(shí)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并最終取得成果，接著又互相提高對(duì)方的實(shí)驗(yàn)成果?！?014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)專家委員會(huì)主席、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)教授皮爾·德?tīng)栃琳f(shuō)。在當(dāng)時(shí)選擇這種不被看好的

5、材料堪稱一場(chǎng)豪賭。1988年，為了學(xué)習(xí)制造藍(lán)光二極管所必須的結(jié)晶生長(zhǎng)技術(shù)，中村赴美留學(xué)。不過(guò)，當(dāng)他漂洋過(guò)海尋求夢(mèng)想時(shí)，又遇到了另一困境。由于公司不允許，中村此前沒(méi)有發(fā)過(guò)一篇論文，這使他完全沒(méi)有被當(dāng)作研究人員看待。同事們?cè)诠ぷ鲿r(shí)不與他交流，研究發(fā)光二極管的人員對(duì)他的請(qǐng)教愛(ài)理不理，連開(kāi)會(huì)都沒(méi)人通知他，整整一年，“沒(méi)有一點(diǎn)兒好的回憶”。時(shí)隔多年，這位加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的教授憤憤不平地說(shuō)，那時(shí)他們把自己當(dāng)作門外漢來(lái)對(duì)待，對(duì)這種態(tài)度的憤怒促使他勇攀科學(xué)高峰。受了一年氣回到日本的中村不得不進(jìn)行“地下工作”。新上任的社長(zhǎng)要求他停止LED研究，改作電子元件。他只能瞞著公司，繼續(xù)研究，并在取得關(guān)鍵性進(jìn)展時(shí)投

6、論文。這在歐美的研究人員中引起了巨大反響，但在以公司或大學(xué)名頭評(píng)判論文可信度的日本，中村的研究“根本得不到承認(rèn)”?！拔以囍儐?wèn)過(guò)幾位研究人員，回答說(shuō)當(dāng)時(shí)根本不信的居多。等高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管變成了產(chǎn)品，才急忙去讀過(guò)去論文的人估計(jì)有不少?！敝写寤貞浀馈Ｖ钡?993年11月30日，中村憤怒的結(jié)晶藍(lán)色發(fā)光二極管發(fā)布。媒體的采訪請(qǐng)求、用戶及同行業(yè)其他公司的咨詢讓公司電話像鬧鐘一樣響個(gè)不停。當(dāng)每天四五十個(gè)的電話潮持續(xù)了一周，社長(zhǎng)終于悟到了什么：“是這么了不起的一項(xiàng)成果嗎？”在這之前，是否明亮是檢驗(yàn)中村工作的唯一標(biāo)準(zhǔn)。1991年3月，在發(fā)光層中采用氮化鎵的發(fā)光二極管發(fā)出了紫外線，聞?dòng)嵹s來(lái)的社長(zhǎng)輕聲嘟囔，“

7、好暗啊，這樣可沒(méi)法作為商品出售”。1992年9月，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氮化鎵發(fā)光二極管終于試制成功，社長(zhǎng)如同在評(píng)價(jià)一份中學(xué)生實(shí)驗(yàn)作業(yè)，“是你制作的啊，還是很暗?！碑?dāng)耀眼的藍(lán)光從日亞的地下室里發(fā)出來(lái)時(shí)，全球固態(tài)照明的新時(shí)代開(kāi)始了。多年后，用怒火點(diǎn)燃藍(lán)光的中村修二被瑞典皇家學(xué)院譽(yù)為21世紀(jì)的愛(ài)迪生。2. 全球四分之一的人口獲得了光亮，藍(lán)光之父卻還在陰影里生悶氣不久前的新聞發(fā)布會(huì)上，中村修二在明亮的LED燈光下接受瑞典皇家科學(xué)院的贊美：“對(duì)于全球15億尚未能受益于電網(wǎng)的人口來(lái)說(shuō)，這種新型光源帶來(lái)了更高的生活品質(zhì)?！比蛩姆种坏娜丝讷@得了光亮，“藍(lán)光之父”中村修二卻還在陰影里生悶氣。發(fā)明剛剛問(wèn)世，日亞便以公

8、司的名義申請(qǐng)了專利，并開(kāi)始大量生產(chǎn)出售藍(lán)色發(fā)光二極管，搖身一變成為世界最大的LED公司。發(fā)明人中村修二獲得的全部獎(jiǎng)勵(lì)是兩萬(wàn)日元(約合人民幣1141元)的獎(jiǎng)金，海外同仁笑他“奴隸中村”?！爱?dāng)我們飛到日本時(shí)，發(fā)現(xiàn)中村修二在地下室做實(shí)驗(yàn)，職位只是一個(gè)技術(shù)員，我知道這就是我們的機(jī)會(huì)?！泵绹?guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校華裔校長(zhǎng)楊祖佑說(shuō)。為了邀請(qǐng)中村修二，這所高校專門為他配置了研究團(tuán)隊(duì)，并讓研究人員到日本工作一年，學(xué)習(xí)日語(yǔ)，為他營(yíng)造一種日本文化環(huán)境，讓他能愉快地待在大學(xué)里。這也是中村修二拒絕了斯坦福大學(xué)和惠普公司派專機(jī)邀請(qǐng)，而選擇到圣塔芭芭拉分校的原因。3. 他從日亞辭職，恩怨卻沒(méi)有結(jié)束。由于拒絕簽署“保證3年

9、內(nèi)不再?gòu)氖滤{(lán)光二極管的基礎(chǔ)技術(shù)研究”的合同，在這家公司工作了20年的中村沒(méi)能領(lǐng)到退職金。日亞甚至追到美國(guó)，要求中村簽署合同。再次遭拒以后，以泄露企業(yè)秘密為由，將中村告上法庭。中村積攢了多年的怒火再次爆發(fā)，這一次不是在實(shí)驗(yàn)室里，而是在法庭上。2004年，中村修二向東京地方法院提起訴訟，狀告日亞，要求其支付發(fā)明補(bǔ)償金。中村勝訴，法院判決日亞應(yīng)支付給中村補(bǔ)償金200億日元(約合人民幣11.4億元)。最終，這個(gè)金額縮水到了8.4億日元(約合人民幣4793萬(wàn)元)。這場(chǎng)前無(wú)古人的訴訟激勵(lì)了很多發(fā)明者在法庭上尋求幫助，他們當(dāng)中的很多人贏了訴訟或者獲得庭外和解。如今，中村訴日亞一案已成為專利訴訟教材的指標(biāo)性案

10、例。中村更為在意的似乎是東京地方法院的這一判斷：“發(fā)明者的貢獻(xiàn)度即使保守估算也不低于50%。原告幾乎靠一己之力完成了世界性的發(fā)明?！倍嗄旰笱约白约旱某删停@個(gè)“與老東家戰(zhàn)斗到底的男人”毫不猶豫：“憤怒是我全部的動(dòng)因，如果沒(méi)有憋著一肚子氣，就不會(huì)成功?！?. 他的槍膛里總躺著憤怒的子彈，一有機(jī)會(huì)就向日本的科研環(huán)境射擊10月7日，西裝革履的中村站在新聞發(fā)布會(huì)上，拿著提前準(zhǔn)備好的演講稿，一字一句地說(shuō)：“制造LED燈的夢(mèng)想能夠成為現(xiàn)實(shí)，我非常高興。如今我們能在超市買到高效節(jié)能的燈泡，我希望這對(duì)降低全球變暖也有幫助?！辈贿^(guò)，他還是充滿遺憾。由于與公司糾紛長(zhǎng)達(dá)20年，中村認(rèn)為自己浪費(fèi)了不少時(shí)間，“與美國(guó)同

11、行相比，起步實(shí)在太晚”。他的槍膛里總躺著憤怒的子彈，一有機(jī)會(huì)就向日本的科研環(huán)境射擊。另一場(chǎng)發(fā)布會(huì)上，這位美籍日裔教授，操著口音極重的蹩腳英語(yǔ)講著自己的“美國(guó)夢(mèng)”，“每個(gè)人都有機(jī)會(huì)做美國(guó)夢(mèng)，如果你努力工作，每個(gè)人都有機(jī)會(huì)！”隨即加上一句，“但在日本就不是這樣！”“直到今天，日本公司仍然不愿承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研發(fā)，也不愿為員工的智力成果提供補(bǔ)償。”5. “在日亞工作時(shí)，買支鉛筆也要上司簽字！”“在日本公司發(fā)明東西只能拿獎(jiǎng)金，但在美國(guó)可以馬上創(chuàng)業(yè)，差別非常大?！币苍S沒(méi)有人比他更了解，在等級(jí)森嚴(yán)的公司中，許許多多如“技術(shù)員中村”一樣的工程師是如何“長(zhǎng)期被忽視”的。而今，中村修二創(chuàng)辦了自己的公司位于加州弗里蒙

12、特市的發(fā)光二極管企業(yè)SORAA，是世界上唯一一家制造氮化鎵對(duì)氮化鎵基板發(fā)光二極管的企業(yè)。在中村對(duì)未來(lái)的暢想中，LED能在節(jié)約能源、減少碳排放上大有作為，該技術(shù)還會(huì)滲透到顯示屏、汽車、醫(yī)藥、園藝等方方面面。“大體上說(shuō)，(我的生活)沒(méi)什么變化。我已經(jīng)得過(guò)很多獎(jiǎng)了，這是最高的獎(jiǎng)項(xiàng)，但是不會(huì)使我的工作產(chǎn)生什么變化。”他的怒火熊熊燃燒了幾十年，從獲獎(jiǎng)的喜悅回歸原來(lái)的生活，卻只用了幾天，仿佛他并未為此奮斗了20年，又等待了20年。在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校師從中村的博士黃嘉彥眼里，這位“非典型教授”生活中則是一個(gè)好相處的大叔，喜歡美食和泡溫泉，最喜歡的座右銘是“盛者必衰”。在2002年出版的把喜歡的事當(dāng)做工

13、作來(lái)做一書(shū)中，中村描繪了自己渴望的社會(huì)，不過(guò)是“可以讓人做自己喜歡之事，并且得以體面生存”而已。介紹完了中村修二，那么，問(wèn)題來(lái)了，到底什么是藍(lán)光LED技術(shù)？通俗地說(shuō)，LED其實(shí)就是一個(gè)發(fā)光二極管?？茖W(xué)家們通過(guò)半導(dǎo)體元件可以讓它發(fā)出不同顏色的光，作為三原色的紅、黃兩種光早在藍(lán)光發(fā)現(xiàn)的30年前就通過(guò)發(fā)明導(dǎo)出來(lái)了，但是藍(lán)光的導(dǎo)出科學(xué)家們卻努力了30余年。隨著藍(lán)光的導(dǎo)出，三原色齊全了，也就是說(shuō)可以通過(guò)三原色的不同搭配制造出各種顏色的光。 最重要的是藍(lán)光的出現(xiàn)使得LED可以發(fā)出高效白光。據(jù)了解，熒光材料受藍(lán)光LED照射激發(fā)，會(huì)發(fā)出綠、紅譜段的光，它們與藍(lán)光合并后看起來(lái)就是白光。另外，具有不同互補(bǔ)色(紅、

14、綠、藍(lán))的幾個(gè)LED光源一起用也可以形成白光。 白光的出現(xiàn)使得LED成為了理想的照明工具。據(jù)有關(guān)業(yè)內(nèi)人士介紹，在LED藍(lán)光芯片發(fā)明之前，人們沒(méi)法將白光具體應(yīng)用到照明領(lǐng)域。藍(lán)光的出現(xiàn)，使LED真正進(jìn)入家庭、戶外道路和景觀照明等大規(guī)模應(yīng)用階段。其壽命長(zhǎng)、能耗低、高亮度、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得LED迅速成為照明行業(yè)的主流產(chǎn)品，同時(shí)也成為國(guó)家倡導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。 藍(lán)光的出現(xiàn)還可以調(diào)光的顏色，如果你想讓LED光更白一些，那就多提高藍(lán)光的量;如果你想讓LED光暖一些，那就調(diào)低藍(lán)光的量?！八{(lán)光LED雖然聽(tīng)上去并不是那么玄乎或者高大上，但卻是可以對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生很大影響的成果。”上海交通大學(xué)物理系教授季向東表示。

15、在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞中提到：“白熾燈照亮了20世紀(jì)，而LED燈將照亮21世紀(jì)。這3名科學(xué)家上世紀(jì)90年代早期通過(guò)半導(dǎo)體導(dǎo)出藍(lán)色光束，卻為照明領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了根本性的轉(zhuǎn)變。” 那么它的技術(shù)原理和制作流程又是怎樣的呢？下面我們就來(lái)介紹介紹。1、光子晶體特性與結(jié)構(gòu)光子晶體隨著波長(zhǎng)不同，會(huì)出現(xiàn)于周期性的結(jié)構(gòu)，可以分別發(fā)展出一次元、二次元及三次元的光子晶體。而在這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中，最出名的應(yīng)該是屬于三次元的光子晶體結(jié)構(gòu)，但是，三次元的光子晶體在制造上及商品化，就今天的技術(shù)而言是非常困難的。原因是目前主要研究的領(lǐng)域還是保留在二次元的光子晶體，所以，今天在LED 領(lǐng)域各業(yè)者相競(jìng)開(kāi)發(fā)的光子晶體LED，也是二次元的光子晶

16、體。一般的材料構(gòu)造是屬于固定構(gòu)造，所以材料本身會(huì)具有的一定的折射率。波數(shù)(Wave Number)與頻率對(duì)于一般材料折射率的影響，橫軸是物質(zhì)的波數(shù)(Wave Number)、縱軸是頻率、斜線就代表折射率。折射率是非常等比例的成長(zhǎng)，也就是代表說(shuō)不管什么樣的波數(shù)、什么樣的波長(zhǎng)，它的折射率都是一定的。那么光子晶體是什么樣的結(jié)構(gòu)，再?gòu)牧硗庖粋€(gè)角度來(lái)說(shuō)明。光子晶體的特性就是周期構(gòu)造，也因此會(huì)產(chǎn)生多重反射。光子晶體所構(gòu)成的波數(shù)矢量數(shù)和光的頻率比例，頻率的曲線不是那么單純，曲線已經(jīng)會(huì)變得非常復(fù)雜，這個(gè)曲線會(huì)隨著光的多方向性，就是異向性而出現(xiàn)變化，而隨著它的偏光性，就可以運(yùn)用來(lái)設(shè)計(jì)出不同的產(chǎn)品。光子晶體它有一

17、個(gè)很出名的特性，相信大家都知道，就是它有一個(gè)光能隙。在光能隙這個(gè)區(qū)域里面，光線是不存在的。這邊的曲線也跟圖一A 是的斜率意義是一樣的，是折射率的相反。只要在這一點(diǎn)，斜率等于零。所以在這一點(diǎn)以外，光的速度就不會(huì)產(chǎn)生零這個(gè)現(xiàn)象。所以也可以說(shuō)，光子晶體也可以控制光的速度。就簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，運(yùn)用光子晶體的目的濃縮成一句話，就是要利用周期構(gòu)造，以人工的方式來(lái)控制這個(gè)光學(xué)特性。2、光子晶體與有固態(tài)發(fā)光元件差異光子晶體有3 個(gè)光學(xué)特性，可以利用人工的方式來(lái)加以控制而達(dá)到不同的目的。第一個(gè)特性是，如果利用光能隙的話，就可以遮蔽光通過(guò)。利用這個(gè)特性可以把光鎖在一個(gè)相當(dāng)狹小的區(qū)域里面。目前產(chǎn)業(yè)界中，就有利用這個(gè)特性把光

18、聚集在一個(gè)區(qū)域里面，制作成一個(gè)集成電路。另外一個(gè)特性是，就是光子晶體有異向性，光子晶體的光會(huì)朝向很多方向散射，原因是光子晶體可以隨著光的偏光角度，出現(xiàn)透光與不透光(某個(gè)角度它可以透過(guò)，但是有些角度是沒(méi)辦法透過(guò))。第三個(gè)特性就是，光子晶體的曲線非常復(fù)雜、變化多端。因?yàn)楣庾泳w的曲線變化非?？?，非常不規(guī)則，所以只要波長(zhǎng)稍有變化，那就可以看到進(jìn)入光子晶體的光，它的角度就會(huì)偏離得非常大。在優(yōu)點(diǎn)方面，光子晶體的面積要比傳統(tǒng)集成電路縮小了千分之一，所以，相對(duì)的，電路的積集度就比過(guò)去增加了1,000 倍。而另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是折光性倍數(shù)可以達(dá)到以往1,000 倍。另外，也可以利用偏光性，改變光的性質(zhì)，可以將以往正方

19、形的偏光濃縮成以往體積的千分之一。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光子晶體它有什么樣的好處與特性?積集度高，體積小，成本低。3、利用光子晶體制作出LED除此之外，光子晶體還有其它的特性。利用它的特性，可以制作出光子晶體LED。大致上可以分為2 種，一種是LED，一種是雷射二極管(Laser Diode)。LD 雷射二極管部分我們可以分為光子晶體 DFB 雷射二極管(Photonic crystal DFB LD)與Photonic crystal defect LD。光子晶體DFB 雷射二極管是大家比較了解的結(jié)構(gòu)，其雷射值可以控制在非常低的區(qū)域來(lái)做發(fā)射，這樣子的結(jié)構(gòu)，是必須存在光能隙的區(qū)域，也因?yàn)槭侨绱?，所以這樣結(jié)

20、構(gòu)要實(shí)現(xiàn)商品化是比較困難。相對(duì)的利用光子晶體的結(jié)構(gòu)制作成LED 是比較簡(jiǎn)單。有關(guān)光子晶體常常被混淆的部分是，以為是利用DFB 雷射，所以就會(huì)有人認(rèn)為是不是利用特定的周期或波長(zhǎng)來(lái)運(yùn)用?其實(shí)答案是不對(duì)的。理由是DFB 雷射跟光子晶體LD，它的入射(Incident)和衍射(Diffracted)的光是受限制的。但是相對(duì)光子晶體的入射光角度和衍射光角度是不受限制的。所以并不是利用特定的周期或波長(zhǎng)來(lái)加強(qiáng)效率，這個(gè)特性對(duì)于LED來(lái)說(shuō)是非常重要的。4、光子晶體藍(lán)色LED利用藍(lán)色LED 來(lái)制作的白光LED，藍(lán)色LED 會(huì)發(fā)出藍(lán)色的光，但是各個(gè)藍(lán)色的光會(huì)根據(jù)YAG 螢光粉部分會(huì)轉(zhuǎn)換成黃光，利用藍(lán)色和黃色的光，

21、可以讓LED 產(chǎn)生出白光，白光LED 被應(yīng)用在白光照明燈跟液晶背光的光源，這種白光LED 被稱為固體白色照明。這種光有3 個(gè)特色：體積小，省能源，壽命長(zhǎng)，但是有一個(gè)很大的問(wèn)題需要克服：比起螢光燈，這樣的白光LED 發(fā)光效率比較差，為了解決這個(gè)問(wèn)題，便可以利用光子晶體來(lái)解決這樣的問(wèn)題。為了克服，藍(lán)光LED 發(fā)光效率比較低的問(wèn)題，可以將光子晶體放在藍(lán)光LED 里，利用光子晶體來(lái)提高發(fā)光效率，這樣生產(chǎn)出的藍(lán)光光子晶體LED 的特色是周期長(zhǎng)，要讓發(fā)光效率提升，有幾個(gè)很重要的技術(shù)。傳統(tǒng)的LED 制作非常簡(jiǎn)單，但是存在的問(wèn)題點(diǎn)就是發(fā)光效率比較差，因?yàn)槭莻鹘y(tǒng)的藍(lán)光LED表面的全反射，從活性層出來(lái)的光線，會(huì)被

22、表面全反射掉。這樣的光就沒(méi)有辦法發(fā)射到LED外面。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，CREE 在制作過(guò)程中做了一些改善的動(dòng)作，在Deformed Chip 中可看到活性層旁邊是一個(gè)斜面，利用這樣斜面的結(jié)構(gòu)，可以讓發(fā)光效率提高，同樣是針對(duì)提高效率的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)出了二次元的集積表面，利用這樣子的結(jié)構(gòu)，可以讓表面的發(fā)光效率提高，所以我們是利用半導(dǎo)體的Planar 技術(shù)，這是一個(gè)很精密的技術(shù)，用來(lái)控制這個(gè)構(gòu)造。Penetration 是利用二次元的活性層讓光穿過(guò)，這樣的結(jié)構(gòu)可以使發(fā)光效率高達(dá)80%，但是也有一個(gè)問(wèn)題需要克服，那就是內(nèi)部量子效率會(huì)降低。由于為了要讓光透過(guò)活性層，就會(huì)因?yàn)檫_(dá)到透過(guò)活性層這個(gè)目的而降低內(nèi)部量子

23、效率。Resonant Cavity 是在光子晶體LED 上面加載共振器，這個(gè)設(shè)計(jì)稱為共振器LED，在LED的周邊，我們配置上光子晶體，利用這個(gè)設(shè)計(jì)，可以把他LED 效率提高60%，而前面提到我們利用Planar 技術(shù)所開(kāi)發(fā)出來(lái)的Surface Grating 的設(shè)計(jì)方式雖然不錯(cuò)，但是在電流的注入上會(huì)有一些問(wèn)題。與Surface Grating 相較下，雖然Resonant Cavity 在電流的注入上會(huì)比較容易，不過(guò)，ResonantCavity 本身也會(huì)有問(wèn)題存在，那就是共振器LED 在制作上比較困難，制作困難就代表說(shuō)成本就會(huì)提高，對(duì)于LED 大家都希望可以以低成本量產(chǎn)，這就造成了發(fā)展瓶頸

24、，Penetration與Resonant Cavity 這2 個(gè)設(shè)計(jì)，只是在LED 上面加上一個(gè)二次元的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)是可以用上原本既有的LED 上。5、光子晶體藍(lán)色LED 運(yùn)作原理現(xiàn)有的LED 結(jié)構(gòu)，可以看到他的全反射，臨界度是比較小的，主要是因?yàn)楸砻鎸⒐馊糠瓷?，相?duì)的，光子晶體藍(lán)色LED 所設(shè)計(jì)出來(lái)的LED，由于衍射的關(guān)系，可以修正光的角度，修正后的光可以比臨界角還小，并可進(jìn)入臨界角投射到外面，改善過(guò)去LED 的光會(huì)全部反射的問(wèn)題。從LED 的活性層發(fā)射出來(lái)的光，我們可以360 度放射出去，但以往的LED 只能受限于臨界角，只能在臨界角范圍內(nèi)發(fā)光，在臨界角內(nèi)的光才能發(fā)射出去，我們知道

25、臨界角范圍內(nèi)的面積只占整個(gè)范圍的4%，所以相對(duì)光子晶體的光就比較廣，能有更多的面積將光反射出去，就是利用這個(gè)原理將發(fā)光效率提高。6、光子晶體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在光子晶體的設(shè)計(jì)上有一些重點(diǎn)，有一個(gè)指標(biāo)是周期這一部分，周期和衍射的距離有關(guān)，如果周期越小，衍射的距離就越大，縱使經(jīng)過(guò)修正后還是沒(méi)有辦法將光發(fā)射到外面去。相對(duì)的如果周期變大，衍射的距離越小，因?yàn)檫@樣的關(guān)系，光就可以移到外面去了，所以在設(shè)計(jì)上需要找到一個(gè)最適合的周期。還有一個(gè)要點(diǎn)就是高度，高度跟衍射的效率有相當(dāng)緊密的相關(guān)聯(lián)性，實(shí)際上并不是所有的光都會(huì)受到衍射的影響，受到衍射影響的光都會(huì)跟衍射率產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)，所以這兩個(gè)重要指標(biāo)就是在開(kāi)發(fā)光子晶體LED

26、時(shí)，需要計(jì)算出最適當(dāng)數(shù)值的G 值，所以在設(shè)計(jì)上就必須經(jīng)過(guò)相當(dāng)精的密計(jì)算來(lái)取得G 值。而在設(shè)計(jì)中，如何去計(jì)算出LED 表面需要多少光，可以利用FDTD 計(jì)算方式來(lái)做一些運(yùn)算，這個(gè)計(jì)算方式在光子晶體上是普遍被運(yùn)用的一個(gè)方式。非光子晶體的LED，是屬于表面比較平坦的一種LED。非光子晶體的LED 產(chǎn)生光后，跟空氣接觸的光源那部分，會(huì)因?yàn)楸砻嫒瓷涞簟６庾泳wLED 的設(shè)計(jì)，可以讓光不受反射影響，將光反射到外面。而高度的部分也是成曲線分布，到某一個(gè)高度時(shí)，效率是最高的，可以看見(jiàn)發(fā)光效率最高的周期是在1.5 微米的地方，而發(fā)光效率最高是0.25 微米，由此可見(jiàn)，在這個(gè)區(qū)域是一個(gè)非常長(zhǎng)的周期，非常短的高

27、度，這就顯示說(shuō)光子晶體的制作非常簡(jiǎn)單，只要找出最適合的周期1.5 微米，比發(fā)光波長(zhǎng)還要長(zhǎng)的一個(gè)周期，然而常說(shuō)現(xiàn)有的LED 至少要克服這樣的條件，但是從這里的設(shè)計(jì)可以看出，即使這個(gè)周期很長(zhǎng)，還是可以達(dá)到高效率，所以對(duì)于這種光子晶體設(shè)計(jì)，稱之為長(zhǎng)周期光子晶體。所以，設(shè)計(jì)的光子晶體LED周期是比較長(zhǎng)的，此外，還有另外的一個(gè)特色，就是在光子晶體的表面鍍上一整面的薄膜，這個(gè)薄膜就是透明電極，透過(guò)這個(gè)薄膜設(shè)計(jì)，光可以從整個(gè)面都可以發(fā)光出去。7、光子晶體LED制程制作的光子晶體LED 上透明電極的影響作的解釋，可以看到，無(wú)論有沒(méi)有涂上透明電極，對(duì)發(fā)光效率并沒(méi)有很大影響。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，我們就很放心的在光子晶體

28、上覆上一層透明電極。利用藍(lán)寶石作為基板，再經(jīng)過(guò)MOCVD、EB 和RIE ETCHING 等等制程，制作出來(lái)二次元的光子晶體LED。根據(jù)我們的說(shuō)法，目前暫時(shí)是利用EB 的方式，但以后在正式量產(chǎn)或商品化時(shí)，就會(huì)用另一個(gè)成本更低的做法，另外還會(huì)做乾式(Dry)Etching，再形成一個(gè)透明電極和電極板。就理論來(lái)說(shuō)，在計(jì)算后的結(jié)果應(yīng)該是高出3 倍的，但是在這次實(shí)驗(yàn)后，得出的結(jié)果卻只有高出50%。分析原因有可能是在光子晶體形成的制造過(guò)程中，所使用的數(shù)值并不是最適當(dāng)?shù)臄?shù)值。所以我們相信，只要改變這個(gè)流程，發(fā)光效率應(yīng)該就會(huì)像計(jì)算的數(shù)值一樣達(dá)到3 倍。此外，另外一個(gè)可能是在制程中出現(xiàn)一小瑕疵，那就是在芯片中

29、有一個(gè)小裂縫，而這個(gè)裂縫的出現(xiàn)，也會(huì)影響到整個(gè)LED 的發(fā)光效能8、透過(guò)透明電極可達(dá)到大面積的發(fā)光我們是第一個(gè)將光子晶體運(yùn)用導(dǎo)入藍(lán)色LED，而且很成功。發(fā)光效率達(dá)到1.5 倍。相信業(yè)界透過(guò)這樣不斷的研究，顯示出固體白光照明的商品化應(yīng)該是指日可待的。這個(gè)技術(shù)絕對(duì)可以運(yùn)用并量產(chǎn)。另外一點(diǎn)，光子晶體的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得長(zhǎng)周期構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@樣的長(zhǎng)周期構(gòu)造讓GaN的光子晶體的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)。另外，經(jīng)過(guò)實(shí)際的制作后，我們也證實(shí)了一件事，在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得大面積的發(fā)光能夠具體實(shí)現(xiàn)。那么，為什么它能獲得今年的諾貝爾獎(jiǎng)呢？1.節(jié)能耐用有前景藍(lán)光LED的出現(xiàn)成就了LE

30、D照明，又因其節(jié)能、耐用而被制作成各種照明設(shè)備并被各國(guó)推廣使用。因此LED照明的出現(xiàn)被稱為繼愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈之后的又一次光源技術(shù)的革命。 據(jù)了解，愛(ài)迪生在1879年發(fā)明了白熾燈泡，其效率僅約16lm/W，也就是說(shuō)電轉(zhuǎn)化為光能的效率僅有約4%。P.CooperHewitt在1900年發(fā)明了熒光燈管(含水銀)，其效率達(dá)70lm/W。與上述白熾燈泡和熒光燈管相比，目前LED燈的效率已經(jīng)達(dá)到了300lm/W，也就是說(shuō)其光能效率超過(guò)了50%。因?yàn)槿澜缢秒娏镉?0%被用于照明，因此，用LED燈取代白熾燈泡和熒光燈管將極大地縮減照明用耗電量。另外，高質(zhì)量LED燈具有很長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，使用壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)

31、。目前各國(guó)正大力推廣用LED燈取代傳統(tǒng)照明技術(shù)。 據(jù)我國(guó)發(fā)布的半導(dǎo)體科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃顯示，到2015年，LED在中國(guó)通用照明市場(chǎng)的份額要達(dá)到30%。復(fù)旦大學(xué)電光源研究所副所長(zhǎng)張善端分析，到2020年，在我們的生活里用到的燈具里面，LED要占到一半。 按照國(guó)家逐步淘汰白熾燈的路線圖，從2012年10月1日開(kāi)始，禁止進(jìn)口和銷售100瓦及以上的普通照明白熾燈。而從今年10月份開(kāi)始，60瓦及以上的普通照明白熾燈將禁止銷售。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前白熾燈的產(chǎn)量減少了90%以上，占比不到照明燈的10%，節(jié)能燈和LED燈的生產(chǎn)則占據(jù)了80%，未來(lái)將是LED的天下。 2.應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛LED剛剛出現(xiàn)的時(shí)

32、候價(jià)格太高，被應(yīng)用的范圍也不廣，但是隨著制造成本的降低開(kāi)始被用于多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。 現(xiàn)在LED燈是消費(fèi)者最為熟悉的產(chǎn)品，在北京燈具市場(chǎng)記者看到LED燈已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。一位燈具銷售商說(shuō)：“LED燈具價(jià)格相比3年前下降超過(guò)30%，銷量在迅速攀升。現(xiàn)在凡是叫得上名字的制造商都推出了自己的LED照明產(chǎn)品，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也已日趨白熱化?！?記者在市場(chǎng)上看到，3瓦的LED燈相當(dāng)于25瓦的白熾燈亮度，而4瓦的LED燈相當(dāng)于32瓦的白熾燈亮度。3、4瓦的LED燈的價(jià)格在十幾元到20幾元不等。但是因?yàn)槭褂脡勖L(zhǎng)，耗電量低，綜合起來(lái)看，這個(gè)價(jià)格還是很劃算的。 記者還了解到，LED電視機(jī)已經(jīng)快速取代了LCD電視

33、機(jī)成為了電視機(jī)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，而且價(jià)格也在短時(shí)間內(nèi)迅速下降，一度高于LCD電視機(jī)價(jià)格幾倍的LED電視機(jī)現(xiàn)在的價(jià)格與LCD電視機(jī)已經(jīng)沒(méi)有明顯的差距。 專家表示，未來(lái)LED行業(yè)，照明可能只占到10%20%，更多的領(lǐng)域都可以使用藍(lán)光LED作為光源。比如LED的發(fā)展推進(jìn)了電視的低耗電和薄型化進(jìn)程，并可實(shí)現(xiàn)高畫(huà)質(zhì)影像及高音質(zhì)音樂(lè)。從藍(lán)光LED發(fā)展出的紫外LED也可以凈化生活用水。在植物工廠應(yīng)用之后，LED可作為人工制造的太陽(yáng)，制造出符合各種植物生長(zhǎng)階段需要的光色，對(duì)其進(jìn)行照射。如此可以有效種植蔬菜，提高產(chǎn)量，減少污染。 三位獲獎(jiǎng)?wù)咴诎l(fā)現(xiàn)新型高效、環(huán)境友好型光源，即藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)方面做出巨大貢獻(xiàn)

34、。在藍(lán)光LED的幫助下，白光可以以新的方式被創(chuàng)造出來(lái)。使用LED燈，我們可以擁有更持久和更高效的燈光代替原來(lái)的光源。因?yàn)榻衲甑闹Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，人們?cè)谥圃旃?jié)能光源方面進(jìn)入了“自由之境”。雖然這三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)獲得諾獎(jiǎng)讓人大跌眼鏡，但正是因?yàn)檫@一發(fā)明，人類可以制造出任何想要的LED光藍(lán)色發(fā)光二極管不僅使得白光可以以一種新的方式創(chuàng)造出來(lái)，而且因?yàn)樗{(lán)光二極管的出現(xiàn)，人們還可以補(bǔ)齊三原色，使得人類能夠制造的LED光源的光譜范圍更廣，可說(shuō)是進(jìn)入自由的境界。令人關(guān)注的，是這一獲獎(jiǎng)項(xiàng)目傳遞的信息：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)近年來(lái)似乎日益青睞那些可以給人類生活帶來(lái)巨大改變的應(yīng)用性研究。 藍(lán)光LED的發(fā)明給我們的生活帶來(lái)了很多新的可能，讓我們的生活色彩更加明亮豐富。不過(guò)，有利就有弊。LED燈泡的光來(lái)自短波高能量藍(lán)光，在LED藍(lán)光傷害的問(wèn)題上，目前業(yè)界和專家們的看法還不完全一致。藍(lán)光是自然界存在的光，是太陽(yáng)光的重要組成部分，在各種白光光源中也存在。當(dāng)前市場(chǎng)上很多LED燈具，是通過(guò)芯片發(fā)出藍(lán)光，激發(fā)黃色的熒光粉，來(lái)調(diào)和成白光的。這種白光LED照明產(chǎn)品的藍(lán)光光譜較其他的光源更豐富。一般認(rèn)為，暴露在藍(lán)光下幾小時(shí)內(nèi)是不會(huì)傷害眼部的，但是常年的暴露可能會(huì)導(dǎo)致累積傷害。還有觀點(diǎn)提出增齡性黃斑變性可能和LED等有關(guān)?！白罱?/p>