以下文章經許可轉載自The Conversation，這是一個報道最新研究的線上出版物。
你可能在口袋裡裝著今年諾貝爾獎得主的研究成果。事實上，如果你正在用手機或相對較新的平板顯示器閱讀這篇文章，你很可能正在盯著其中的一些成果。
2014年諾貝爾物理學獎 被授予了 赤崎勇，天野浩 和 中村修二，以表彰他們在藍色LED（發光二極體）方面的開創性工作。藍色LED之所以重要，有兩個原因：首先，藍光本身有其特定的應用；其次，它是白光的重要組成部分，而白光是白色LED以及LED電腦和手機螢幕成為可能的原因。
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靈光乍現
那麼，什麼是LED？從根本上講，最簡單的LED是將兩片半導體材料夾在一起。顧名思義，半導體是不太擅長導電的材料。
這種特性似乎使它們顯得非常普通，但實際上，這種電流傳輸能力不強的特性對技術人員來說具有巨大的優勢：它的靈活性。如果你拿一塊半導體——例如矽——並在製造過程中混入少量雜質，你就可以徹底改變其電氣特性。
你可以製造的兩種主要型別的半導體被稱為n型和p型。要製造n型半導體，你新增的雜質需要是具有大量電子的物質。這會使半導體中有多餘的電子，並使其導電性稍微好一些。
p型半導體則相反：你新增一種化學元素，該元素與周圍的半導體相比缺少電子，最終你會得到多餘的“空穴”——缺失的電子，這些電子被你新增的雜質從半導體中竊取。（與直覺相反，這也增加了導電性，因為這些空穴也可以攜帶電流！）但當你將n型和p型連線在一起時，真正的奇蹟就發生了。
讓電流透過你新制造的p-n結，電子會從n型材料流入p型材料，然後迅速落入空穴中。當它們驟降時，會發出一小束光。
光的顏色取決於你使用的半導體。例如，矽雖然非常適合用於計算機晶片，但對於照明來說效果不佳。矽LED發出的光會深入到紅外範圍，人眼是看不見的。儘管如此，紅外LED非常有用：它們是你的遙控器如何讓你從沙發上向電視傳送指令的方式。但即使在這裡，矽也不被使用，因為一些微妙的原因，它是一種效率非常低的紅外光源。
靈感時刻
因此，如果你想製造一個發出特定顏色光的LED，你只需要找到一種具有合適的特性來發出你感興趣的顏色的光的材料。在某些情況下，這非常簡單。使用基於砷化鎵的材料，紅色LED從 20 世紀 60 年代初就已問世。此後不久，使用磷化鎵製成了綠色 LED。然而，藍色被證明是一個挑戰。第一批商業化的藍色 LED 於 1989 年上市，它們基於碳化矽，但與純矽一樣，它們的效率非常低。
這就是我們諾貝爾獎獲得者發揮作用的地方。生產藍光的更好選擇是氮化鎵（你可能已經注意到，當涉及到用電產生光時，鎵的某種形式是關鍵）。不幸的是，與其他的鎵化合物相比，從這種化合物中引出強光要困難得多。
首先，事實證明，很難生長出高質量的氮化鎵晶體。通常，在具有相似晶體結構的表面上生長晶體是最容易的，但氮化鎵複雜的原子排列使這有些困難。然後，要使LED更有效率，需要在理想化的p-n結LED之外，對更多的材料進行復雜的層層疊加。這種量子三明治中各層的寬度變化甚至可以改變發出的光的精確顏色（理論上，這些“藍色”LED可以被調整為發出綠色、黃色甚至橙色光）。
從藍色到白色
儘管製造複雜，但藍色LED現在無處不在。例如，它們可以在藍光播放器內部找到。藍光具有較短的波長，這使得藍光光碟上的凹槽比DVD上的凹槽更小、更緊密，後者是用紅光讀取的。這意味著我們可以在與DVD相同大小的光碟上儲存超過五倍的資料。
然而，它們最大的影響無疑是讓我們能夠生產白色LED。白光實際上是彩虹所有顏色的混合物，如果你用稜鏡將它分開，或者如果你在藍光光碟、DVD或CD的表面捕捉到多色反射，你就可以看到這一點。然而，人眼中只有三種類型的顏色受體：紅色、綠色和藍色。
因此，我們僅使用這三種顏色就可以製造出看起來像白色的東西。將紅色和綠色LED與藍色LED結合使用，使我們能夠建立高效的白色照明，提供的光量大約是同等白熾燈泡的20倍。白色LED正慢慢地進入世界各地的家庭、商店和工廠的天花板，但它們今天真正普及的應用是作為計算機和手機螢幕的背光。解鎖你的手機或開啟一個最近的平板顯示器，紅色、綠色和藍色LED透過一層液晶發光，讓你能夠瀏覽網頁、觀看電影，甚至閱讀這篇文章。
除了是一項技術奇蹟之外，赤崎、天野和中村的諾貝爾獎也是對實驗科學中堅韌不拔精神的證明。與精湛的理論見解一樣，藍色LED的開發需要在實驗室中進行數小時的反覆試驗，在略有不同的條件下執行相同的程式，試圖最大程度地提高這一棘手過程的效率和成本效益。
結果是這項技術在發達世界無處不在，並且也在向發展中國家邁進。這些獲獎者的絕妙想法很可能成為21世紀的光源，當電影版本上映時，我們甚至可以在LED背光電視上的藍光光碟上觀看他們的故事。
安德魯·斯蒂爾不為任何將從本文中受益的公司或組織工作、諮詢、擁有股份或接受資助，並且沒有任何相關的從屬關係。
本文最初發表在The Conversation上。閱讀原文。