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)課報告結(jié) 課 報 告課程名稱：都市植物工廠2014年物理諾獎獲得者中村修二及其藍(lán)光LED技術(shù)題 目： 2014年物理諾獎獲得者中村修二及其藍(lán)光LED技術(shù)姓 名： 豐 寧 年級專業(yè)： 通信工程 姓 名： 劉 駿 年級專業(yè)： 機(jī)械工程 姓 名： 張文倩 年級專業(yè)：電子信息工程 任課教師：王達(dá)健時 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)體對其技術(shù)顧問、同時也是美國加利福尼亞大學(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)獎表示熱烈祝賀，對能從被譽(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)獎聯(lián)合授予日本科學(xué)家的赤崎勇，天野浩以及美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的美籍日裔科學(xué)家中村修二，以表彰他們在發(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，卻沒有取得突破。諾貝爾獎評選委員會說，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)獎以后的照片，他也是眉毛倒豎、眼神堅毅。“憤怒是我全部的動因，如果沒有憋著一肚子氣，就不會成功?！敝写逍薅偨Y(jié)說。圖1 中村修二獲諾獎時的照片1. 上司每次見到我都會說，你怎么還沒有辭職？很難想象，這位新晉諾獎得主曾經(jīng)的夢想是當(dāng)一名快樂的奶爸。中村大學(xué)時就已結(jié)婚生子，為了不“因為事業(yè)舍棄生活”，他1979年畢業(yè)時放棄了大城市的工作機(jī)會，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。他在研究上的突破不被重視，被稱為“吃白飯的

4、”，“上司每次見到我都會說，你怎么還沒有辭職？ 把我氣得發(fā)抖?！敝写寤貞浀馈＿@位憤怒青年決定選擇開發(fā)高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管，以此證明自己。當(dāng)時，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，當(dāng)時大多數(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”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?！八麄儙缀跏窃谕粫r段進(jìn)行實驗并最終取得成果，接著又互相提高對方的實驗成果?！?014年諾貝爾物理學(xué)獎專家委員會主席、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)教授皮爾·德爾辛說。在當(dāng)時選擇這種不被看好的

5、材料堪稱一場豪賭。1988年，為了學(xué)習(xí)制造藍(lán)光二極管所必須的結(jié)晶生長技術(shù)，中村赴美留學(xué)。不過，當(dāng)他漂洋過海尋求夢想時，又遇到了另一困境。由于公司不允許，中村此前沒有發(fā)過一篇論文，這使他完全沒有被當(dāng)作研究人員看待。同事們在工作時不與他交流，研究發(fā)光二極管的人員對他的請教愛理不理，連開會都沒人通知他，整整一年，“沒有一點兒好的回憶”。時隔多年，這位加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的教授憤憤不平地說，那時他們把自己當(dāng)作門外漢來對待，對這種態(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儐栠^幾位研究人員，回答說當(dāng)時根本不信的居多。等高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管變成了產(chǎn)品，才急忙去讀過去論文的人估計有不少?！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不停。當(dāng)每天四五十個的電話潮持續(xù)了一周，社長終于悟到了什么：“是這么了不起的一項成果嗎？”在這之前，是否明亮是檢驗中村工作的唯一標(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，聞訊趕來的社長輕聲嘟囔，“

7、好暗啊，這樣可沒法作為商品出售”。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，社長如同在評價一份中學(xué)生實驗作業(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)出來時，全球固態(tài)照明的新時代開始了。多年后，用怒火點燃藍(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：“對于全球15億尚未能受益于電網(wǎng)的人口來說，這種新型光源帶來了更高的生活品質(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)明剛剛問世，日亞便以公

8、司的名義申請了專利，并開始大量生產(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勵是兩萬日元(約合人民幣1141元)的獎金，海外同仁笑他“奴隸中村”。“當(dāng)我們飛到日本時，發(fā)現(xiàn)中村修二在地下室做實驗，職位只是一個技術(shù)員，我知道這就是我們的機(jī)會?！泵绹又荽髮W(xué)圣塔芭芭拉分校華裔校長楊祖佑說。為了邀請中村修二，這所高校專門為他配置了研究團(tuán)隊，并讓研究人員到日本工作一年，學(xué)習(xí)日語，為他營造一種日本文化環(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，而選擇到圣塔芭芭拉分校的原因。3. 他從日亞辭職，恩怨卻沒有結(jié)束。由于拒絕簽署“保證3年

9、內(nèi)不再從事藍(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年的中村沒能領(lǐng)到退職金。日亞甚至追到美國，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)，這一次不是在實驗室里，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，這個金額縮水到了8.4億日元(約合人民幣4793萬元)。這場前無古人的訴訟激勵了很多發(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?，這個“與老東家戰(zhàn)斗到底的男人”毫不猶豫：“憤怒是我全部的動因，如果沒有憋著一肚子氣，就不會成功?！?. 他的槍膛里總躺著憤怒的子彈，一有機(jī)會就向日本的科研環(huán)境射擊10月7日，西裝革履的中村站在新聞發(fā)布會上，拿著提前準(zhǔn)備好的演講稿，一字一句地說：“制造LED燈的夢想能夠成為現(xiàn)實，我非常高興。如今我們能在超市買到高效節(jié)能的燈泡，我希望這對降低全球變暖也有幫助。”不過，他還是充滿遺憾。由于與公司糾紛長達(dá)20年，中村認(rèn)為自己浪費了不少時間，“與美國同

11、行相比，起步實在太晚”。他的槍膛里總躺著憤怒的子彈，一有機(jī)會就向日本的科研環(huán)境射擊。另一場發(fā)布會上，這位美籍日裔教授，操著口音極重的蹩腳英語講著自己的“美國夢”，“每個人都有機(jī)會做美國夢，如果你努力工作，每個人都有機(jī)會！”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)險進(jìn)行研發(fā)，也不愿為員工的智力成果提供補(bǔ)償?！?. “在日亞工作時，買支鉛筆也要上司簽字！”“在日本公司發(fā)明東西只能拿獎金，但在美國可以馬上創(chuàng)業(yè)，差別非常大?！币苍S沒有人比他更了解，在等級森嚴(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氮化鎵基板發(fā)光二極管的企業(yè)。在中村對未來的暢想中，LED能在節(jié)約能源、減少碳排放上大有作為，該技術(shù)還會滲透到顯示屏、汽車、醫(yī)藥、園藝等方方面面。“大體上說，(我的生活)沒什么變化。我已經(jīng)得過很多獎了，這是最高的獎項，但是不會使我的工作產(chǎn)生什么變化?！彼呐鹦苄苋紵藥资?，從獲獎的喜悅回歸原來的生活，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、作來做一書中，中村描繪了自己渴望的社會，不過是“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，問題來了，到底什么是藍(lán)光LED技術(shù)？通俗地說，LED其實就是一個發(fā)光二極管?？茖W(xué)家們通過半導(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年前就通過發(fā)明導(dǎo)出來了，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，也就是說可以通過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)，會發(fā)出綠、紅譜段的光，它們與藍(lán)光合并后看起來就是白光。另外，具有不同互補(bǔ)色(紅、

14、綠、藍(lán))的幾個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、能耗低、高亮度、可控性強(qiáng)等特點，使得LED迅速成為照明行業(yè)的主流產(chǎn)品，同時也成為國家倡導(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。“藍(lán)光LED雖然聽上去并不是那么玄乎或者高大上，但卻是可以對人類社會產(chǎn)生很大影響的成果?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)物理系教授季向東表示。

15、在諾貝爾獎頒獎詞中提到：“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？下面我們就來介紹介紹。1、光子晶體特性與結(jié)構(gòu)光子晶體隨著波長不同，會出現(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)者相競開發(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，所以材料本身會具有的一定的折射率。波數(shù)(Wave Number)與頻率對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，也就是代表說不管什么樣的波數(shù)、什么樣的波長，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)，再從另外一個角度來說明。光子晶體的特性就是周期構(gòu)造，也因此會產(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)會變得非常復(fù)雜，這個曲線會隨著光的多方向性，就是異向性而出現(xiàn)變化，而隨著它的偏光性，就可以運用來設(shè)計出不同的產(chǎn)品。光子晶體它有一

17、個很出名的特性，相信大家都知道，就是它有一個光能隙。在光能隙這個區(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，斜率等于零。所以在這一點以外，光的速度就不會產(chǎn)生零這個現(xiàn)象。所以也可以說，光子晶體也可以控制光的速度。就簡單來說，運用光子晶體的目的濃縮成一句話，就是要利用周期構(gòu)造，以人工的方式來控制這個光學(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 個光學(xué)特性，可以利用人工的方式來加以控制而達(dá)到不同的目的。第一個特性是，如果利用光能隙的話，就可以遮蔽光通過。利用這個特性可以把光鎖在一個相當(dāng)狹小的區(qū)域里面。目前產(chǎn)業(yè)界中，就有利用這個特性把光

18、聚集在一個區(qū)域里面，制作成一個集成電路。另外一個特性是，就是光子晶體有異向性，光子晶體的光會朝向很多方向散射，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(某個角度它可以透過，但是有些角度是沒辦法透過)。第三個特性就是，光子晶體的曲線非常復(fù)雜、變化多端。因為光子晶體的曲線變化非?？?，非常不規(guī)則，所以只要波長稍有變化，那就可以看到進(jìn)入光子晶體的光，它的角度就會偏離得非常大。在優(yōu)點方面，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，相對的，電路的積集度就比過去增加了1,000 倍。而另一個優(yōu)點是折光性倍數(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。簡單來說，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，也因為是如此，所以這樣結(jié)

20、構(gòu)要實現(xiàn)商品化是比較困難。相對的利用光子晶體的結(jié)構(gòu)制作成LED 是比較簡單。有關(guān)光子晶體常常被混淆的部分是，以為是利用DFB 雷射，所以就會有人認(rèn)為是不是利用特定的周期或波長來運用?其實答案是不對的。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來加強(qiáng)效率，這個特性對于LED來說是非常重要的。4、光子晶體藍(lán)色LED利用藍(lán)色LED 來制作的白光LED，藍(lán)色LED 會發(fā)出藍(lán)色的光，但是各個藍(lán)色的光會根據(jù)YAG 螢光粉部分會轉(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 個特色：體積小，省能源，壽命長，但是有一個很大的問題需要克服：比起螢光燈，這樣的白光LED 發(fā)光效率比較差，為了解決這個問題，便可以利用光子晶體來解決這樣的問題。為了克服，藍(lán)光LED 發(fā)光效率比較低的問題，可以將光子晶體放在藍(lán)光LED 里，利用光子晶體來提高發(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，要讓發(fā)光效率提升，有幾個很重要的技術(shù)。傳統(tǒng)的LED 制作非常簡單，但是存在的問題點就是發(fā)光效率比較差，因為是傳統(tǒng)的藍(lán)光LED表面的全反射，從活性層出來的光線，會被

22、表面全反射掉。這樣的光就沒有辦法發(fā)射到LED外面。針對這個問題，CREE 在制作過程中做了一些改善的動作，在Deformed Chip 中可看到活性層旁邊是一個斜面，利用這樣斜面的結(jié)構(gòu)，可以讓發(fā)光效率提高，同樣是針對提高效率的問題，我們設(shè)計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)，這是一個很精密的技術(shù)，用來控制這個構(gòu)造。Penetration 是利用二次元的活性層讓光穿過，這樣的結(jié)構(gòu)可以使發(fā)光效率高達(dá)80%，但是也有一個問題需要克服，那就是內(nèi)部量子效率會降低。由于為了要讓光透過活性層，就會因為達(dá)到透過活性層這個目的而降低內(nèi)部量子

23、效率。Resonant Cavity 是在光子晶體LED 上面加載共振器，這個設(shè)計稱為共振器LED，在LED的周邊，我們配置上光子晶體，利用這個設(shè)計，可以把他LED 效率提高60%，而前面提到我們利用Planar 技術(shù)所開發(fā)出來的Surface Grating 的設(shè)計方式雖然不錯，但是在電流的注入上會有一些問題。與Surface Grating 相較下，雖然Resonant Cavity 在電流的注入上會比較容易，不過，ResonantCavity 本身也會有問題存在，那就是共振器LED 在制作上比較困難，制作困難就代表說成本就會提高，對于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 個設(shè)計，只是在LED 上面加上一個二次元的設(shè)計，這樣的設(shè)計是可以用上原本既有的LED 上。5、光子晶體藍(lán)色LED 運作原理現(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，主要是因為表面將光全部反射，相對的，光子晶體藍(lán)色LED 所設(shè)計出來的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，改善過去LED 的光會全部反射的問題。從LED 的活性層發(fā)射出來的光，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)的面積只占整個范圍的4%，所以相對光子晶體的光就比較廣，能有更多的面積將光反射出去，就是利用這個原理將發(fā)光效率提高。6、光子晶體的設(shè)計要點在光子晶體的設(shè)計上有一些重點，有一個指標(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)過修正后還是沒有辦法將光發(fā)射到外面去。相對的如果周期變大，衍射的距離越小，因為這樣的關(guān)系，光就可以移到外面去了，所以在設(shè)計上需要找到一個最適合的周期。還有一個要點就是高度，高度跟衍射的效率有相當(dāng)緊密的相關(guān)聯(lián)性，實際上并不是所有的光都會受到衍射的影響，受到衍射影響的光都會跟衍射率產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)，所以這兩個重要指標(biāo)就是在開發(fā)光子晶體LED

26、時，需要計算出最適當(dāng)數(shù)值的G 值，所以在設(shè)計上就必須經(jīng)過相當(dāng)精的密計算來取得G 值。而在設(shè)計中，如何去計算出LED 表面需要多少光，可以利用FDTD 計算方式來做一些運算，這個計算方式在光子晶體上是普遍被運用的一個方式。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，會因為表面全反射掉。而光子晶體LED 的設(shè)計，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，到某一個高度時，效率是最高的，可以看見發(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，在這個區(qū)域是一個非常長的周期，非常短的高

27、度，這就顯示說光子晶體的制作非常簡單，只要找出最適合的周期1.5 微米，比發(fā)光波長還要長的一個周期，然而常說現(xiàn)有的LED 至少要克服這樣的條件，但是從這里的設(shè)計可以看出，即使這個周期很長，還是可以達(dá)到高效率，所以對于這種光子晶體設(shè)計，稱之為長周期光子晶體。所以，設(shè)計的光子晶體LED周期是比較長的，此外，還有另外的一個特色，就是在光子晶體的表面鍍上一整面的薄膜，這個薄膜就是透明電極，透過這個薄膜設(shè)計，光可以從整個面都可以發(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，無論有沒有涂上透明電極，對發(fā)光效率并沒有很大影響。根據(jù)這個結(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MOCVD、EB 和RIE ETCHING 等等制程，制作出來二次元的光子晶體LED。根據(jù)我們的說法，目前暫時是利用EB 的方式，但以后在正式量產(chǎn)或商品化時，就會用另一個成本更低的做法，另外還會做乾式(Dry)Etching，再形成一個透明電極和電極板。就理論來說，在計算后的結(jié)果應(yīng)該是高出3 倍的，但是在這次實驗后，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，只要改變這個流程，發(fā)光效率應(yīng)該就會像計算的數(shù)值一樣達(dá)到3 倍。此外，另外一個可能是在制程中出現(xiàn)一小瑕疵，那就是在芯片中

29、有一個小裂縫，而這個裂縫的出現(xiàn)，也會影響到整個LED 的發(fā)光效能8、透過透明電極可達(dá)到大面積的發(fā)光我們是第一個將光子晶體運用導(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。這個技術(shù)絕對可以運用并量產(chǎn)。另外一點，光子晶體的獨特設(shè)計使得長周期構(gòu)造可以實現(xiàn)。因為這樣的長周期構(gòu)造讓GaN的光子晶體的應(yīng)用更容易實現(xiàn)。另外，經(jīng)過實際的制作后，我們也證實了一件事，在光子晶體的表面都覆上了一整面的透明電極，這樣一個獨特設(shè)計，使得大面積的發(fā)光能夠具體實現(xiàn)。那么，為什么它能獲得今年的諾貝爾獎呢？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)備并被各國推廣使用。因此LED照明的出現(xiàn)被稱為繼愛迪生發(fā)明白熾燈之后的又一次光源技術(shù)的革命。 據(jù)了解，愛迪生在1879年發(fā)明了白熾燈泡，其效率僅約16lm/W，也就是說電轉(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，也就是說其光能效率超過了50%。因為全世界所用電力里有20%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燈具有很長壽命的特點，使用壽命達(dá)10萬小時

31、。目前各國正大力推廣用LED燈取代傳統(tǒng)照明技術(shù)。 據(jù)我國發(fā)布的半導(dǎo)體科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃顯示，到2015年，LED在中國通用照明市場的份額要達(dá)到30%。復(fù)旦大學(xué)電光源研究所副所長張善端分析，到2020年，在我們的生活里用到的燈具里面，LED要占到一半。 按照國家逐步淘汰白熾燈的路線圖，從2012年10月1日開始，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

32、候價格太高，被應(yīng)用的范圍也不廣，但是隨著制造成本的降低開始被用于多個領(lǐng)域，發(fā)展勢頭迅猛。 現(xiàn)在LED燈是消費者最為熟悉的產(chǎn)品，在北京燈具市場記者看到LED燈已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。一位燈具銷售商說：“LED燈具價格相比3年前下降超過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，市場競爭也已日趨白熱化?！?記者在市場上看到，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燈的價格在十幾元到20幾元不等。但是因為使用壽命長，耗電量低，綜合起來看，這個價格還是很劃算的。 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)市場的主流產(chǎn)品，而且價格也在短時間內(nèi)迅速下降，一度高于LCD電視機(jī)價格幾倍的LED電視機(jī)現(xiàn)在的價格與LCD電視機(jī)已經(jīng)沒有明顯的差距。 專家表示，未來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，并可實現(xiàn)高畫質(zhì)影像及高音質(zhì)音樂。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，制造出符合各種植物生長階段需要的光色，對其進(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?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。使用LED燈，我們可以擁有更持久和更高效的燈光代替原來的光源。因為今年的諾貝爾物理學(xué)獎，人們在制造節(jié)能光源方面進(jìn)入了“自由之境”。雖然這三位科學(xué)家因為發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)獲得諾獎讓人大跌眼鏡，但正是因為這一發(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，而且因為藍(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，可說是進(jìn)入自由的境界。令人關(guān)注的，是這一獲獎項目傳遞的信息：諾貝爾物理學(xué)獎近年來似乎日益青睞那些可以給人類生活帶來巨大改變的應(yīng)用性研究。 藍(lán)光LED的發(fā)明給我們的生活帶來了很多新的可能，讓我們的生活色彩更加明亮豐富。不過，有利就有弊。LED燈泡的光來自短波高能量藍(lán)光，在LED藍(lán)光傷害的問題上，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，是太陽光的重要組成部分，在各種白光光源中也存在。當(dāng)前市場上很多LED燈具，是通過芯片發(fā)出藍(lán)光，激發(fā)黃色的熒光粉，來調(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)光下幾小時內(nèi)是不會傷害眼部的，但是常年的暴露可能會導(dǎo)致累積傷害。還有觀點提出增齡性黃斑變性可能和LED等有關(guān)。“最近有