文/朱邦芬（清華大學）
2014 年諾貝爾物理學獎授予三位日本物理學家，他們是Isamu Akasaki ( 赤崎勇)， Hiroshi Amano(天野浩)和Shuji Nakamura(中村修二，現為美國國籍，但獲獎成果在日本完成，當時是日本國籍)。授予他們諾貝爾物理學獎的瑞典皇家科學院，在授獎詞中評價他們「發明了高效藍色發光二極體，使得高亮度節能白光光源成為現實」。
一些物理學家對高效藍色發光二極體(LED)獲得諾貝爾物理學獎頗有微詞。我以為，藍光LED之所以獲得諾貝爾獎，主要因為其明顯的節能和環保效益，這完全符合諾貝爾的遺囑：「獎勵那些在前一年為人類做出卓越貢獻的人」。產生白光有兩個途徑，一是藍、綠、紅三色光的直接混合，另一是藍光照射到黃色的螢光粉上。因而必須要有藍光LED，而不是較早發明的其他顏色光LED，才可能產生白光，才可能引發一場新的照明革命。此外，高亮度藍色LED還使得遠超過一人身高的超大屏幕全彩顯示器成為可能，使得超薄智能彩色屏幕的手機廣泛使用，使得藍色雷射器和錄製高清節目的藍光光碟成為現實。諾貝爾物理學獎的獎勵對象是「在物理學領域作出最重要發現或發明的人」，過去諾貝爾物理學獎已授予多項重大的技術發明成果，就高效藍色發光LED這項發明的社會效益和經濟效益而言，它當之無愧。不僅如此，藍光LED還解決了一系列關鍵的科學技術問題，如在缺少晶格適配、高質量襯底的情況下生長高質量外延薄膜，如寬禁帶半導體材料的P 型摻雜，等等。這些問題都是半導體物理、材料和器件研究三者結合的關鍵問題。黃昆先生曾多次指出，近年來半導體科學技術發展的一個顯著特點是半導體物理、材料、器件三者的緊密結合。藍光LED的成功極好地印證了這一點：根基是物理研究的進展，關鍵是高質量材料的製備，而最終之成功在於製備出高效器件並實行了市場化。
在許多國人心目中，諾貝爾獎是個別天才(如愛因斯坦、楊振寧等)的成就，而這些天才往往出身於名校，受業於大師，成功於知名研究單位。本屆諾貝爾物理學獎的三位獲獎者都是正常的普通研究人員，是「非典型」的諾貝爾桂冠獲得者。赤崎勇和天野浩就像我們身旁某個研究所的某位研究員；天野浩始終和他的導師「捆綁在一起」，一直沒有獨立自開門戶；而中村修二，大學本科和碩士均出自於一個外國人很少聽說過的日本德島大學，導師也是一般的教授，而博士學位則是成名之後母校授予的榮譽學位(日本東北大學稍後也願意授予博士學位)，他的研究經歷更帶有些「草根」的味道。
儘管這是一項部分物理學家有意見的諾貝爾物理學獎，儘管獲獎者沒有「高大上」的光環，但是，本屆諾貝爾物理學獎及獲獎人的經歷很值得中國科技界思考、借鑑和認真學習。
首先，這三位諾貝爾獎獲得者憑藉他們的洞察力，持續多年圍繞一個重大問題而攻關的精神和經歷值得我們學習。赤崎勇獨具慧眼，早在70年代初在松下東京研究所工作時就決定把氮化鎵(GaN)基藍光LED 作為自己的主要研究方向，而當時國際上研製藍光LED的主流是以易於製備的II-VI 族半導體材料為基。儘管III 族氮化物材料的物性十分優異，但是，由於缺少大塊GaN單晶可用做襯底生長，又由於GaN 的晶格常數遠小於其他半導體或絕緣體的晶格常數， 異質外延生長GaN 材料也產生大量的缺陷而影響發光，在70 年代中期至80 年代中期，國際上堅持GaN 研究的組寥寥無幾，每年發表的與GaN 有關的論文也只有屈指可數的10 篇左右。赤崎勇不隨大流，繼1974年用MBE長出質量不高的GaN 單晶後， 1978年做出外量子效率0.12%的藍色LED。他在顯微鏡下觀察到缺陷多多的GaN 樣品中有一些微晶，他組內成員還觀察到生長設備中殘存的一些針狀的「蘑菇」能發出較明亮的光。赤崎勇相信，一旦克服了材料生長的難題，GaN 用於研製藍光LED 具有獨特優勢。於是1978 年他決定嘗試用MOVPE方法來生長高質量GaN 材料，並於1981年在名古屋大學他搭建的設備上重新開始生長高質量GaN的探索。天野浩當時是赤崎勇的博士生，他經過一千多次的試驗，偶然發現選用氮化鋁(AlN)做緩衝層並適當降低溫度可以外延出較高質量的GaN膜，解決了第一個難題。寬禁帶半導體的P 型摻雜是一個挑戰，至今仍還沒有徹底解決。要做成高效LED，較高濃度的空穴是必不可少的，這是他們面臨的第二個難題。天野浩也在多次失敗後偶然發現，在低能電子束輻照下P型雜質Mg導致的空穴濃度大大增加。十年磨一劍，他們為GaN藍光LED的兩個關鍵難題的突破奠定了基礎，並在此基礎上於1989 年發明了GaN基PN結LED，能夠發出較明亮的藍光。
對藍光LED高亮度以及實用化做出巨大貢獻的中村修二的經歷更帶有傳奇性。為了照顧家庭，他碩士畢業後在一個主要生產螢光粉材料只有200 員工的中小型公司「日亞化學工業」從事開發金屬Ga、單晶或多晶半導體GaP、GaAs、GaAlAs等材料。他研製設備往往是一個人從頭做起，因為缺少開發經費，他需要焊接已使用過的石英玻璃管，繼續用於生長半導體材料，贏得了黃昏時分的「爆炸慣犯」的頭銜。雖然中村研發材料很成功，但始終無法與大公司競爭。逼迫之下，中村選擇了藍色LED作為研發課題，因為它只要成功就必定暢銷。中村探索GaN發光二極體的路並不平坦。他到美國佛羅裡達大學進修一年想學MOCVD 技術，但主要時間花在搭建設備上，幾乎沒有親手操作MOCVD的機會。回到日本後，由於具有豐富的做設備的經驗，他敢於在被許多人視作「危險物」的商售MOCVD設備上動大手術。歷經了多次失敗，他把通常加熱襯底到1000 度以上的高頻感應加熱裝置改成直接加熱的加熱器；中村又嘗試多種氣體導入方法，終於發現從底板旁邊和上方導入氣體的Two-Flow法比較有效。改造MOCVD設備的成功，使他得以用GaN緩衝層取代AlN 緩衝層，進一步提高了GaN外延材料的質量；用熱退火方法取代電子束輻照進一步提高了P 摻雜。當中村研製的GaN二極體已能發出較暗的藍光(實際上發出光的中心波長在紫外區)時，他聽到美國3M公司研製的硒化鋅(ZnSe)基LED 發出藍光的消息，感到特別沮喪。但後來得知它的壽命只有秒的量級，才鬆了一口氣。我能體會到，在日亞這樣一個中小公司，老闆投了一大筆錢建MOCVD，中村修二工作進展不順利時的心情和所感受到的沉重壓力。靠著明確的奮鬥目標和執著的努力，中村修二於1993年10 月亮度達1 cd(發光強度的基本單位Candela的縮寫，中文譯作坎德拉，一支普通蠟燭的發光強度約為1 cd)的藍光發光二極體的產品化實現了，轟動了整個業界。
其次，本屆諾貝爾獎促使我們思考如何評價重大科研成果。赤崎勇和天野浩獲得諾貝爾物理學獎2 項奠基性工作，分別發表在1986 年的AppliedPhysics Letters(APL，《應用物理快報》)和1989 年Japanese Journal of Applied Physics(JJAP，《日本應用物理學報》)上。這兩個刊物都不算高影響因子刊物，APL 雖屬於應用物理領域的優秀學術刊物，但影響因子也只有3 點幾，而JJAP 則剛剛過1。雖然雜誌的影響因子不算高，他們兩位為這2 個刊物貢獻了138 篇論文和大約9000 次的引用；而他們發表在高影響因子刊物的論文，只有2006 年Nature 子刊1 篇和2009 年Physical ReviewLetters (PRL，《物理評論快報》)1 篇，此外，這兩篇文章的第一作者和通訊作者的單位都是國外合作者，且都發表在他們業已成名之後。中村修二的論著情況基本上也是如此，他的10 篇被引用最多的論文，除1 篇1998 年發表在Science的綜述文章，其他9 篇都發表在APL 和JJAP 上。只是中村修二成名後被挖到美國加州大學聖塔芭芭拉分校後，稍稍多了幾篇Nature子刊的論文和PRL 文章。這3 位得獎人的發表記錄與當下我國科學界(並不只限於中國)流行的評價標準，特別是對高水準研究成果的評價，大相逕庭。我參加過許多科技項目的評審，參加過對許多傑出人才的評審，還參加過許多大獎的評審，我的感受是，在幾個大出版集團非常成功的商業運作下，在一些有影響的科學家和科技界領導人的鼓吹下，我國許多科研單位和管理部門的領導，也包括許多科研人員自身，已經把評價成果、評價個人、評獎等同於數數，即雜誌影響因子與該雜誌發表文章篇數的乘積之和。為此，我國不少科研人員為了研究論文在高影響因子刊物上發表，絞盡腦汁地編故事，千方百計地包裝成果，在壓力或重賞之下有人甚至犯下科研不端的錯誤，「一失足成千古恨」。科研的最終目的是為人類謀福祉，切實地解開自然之謎，而不是在高影響因子雜誌上發表了多少篇文章。任何在高影響因子刊物上發表的文章，無非是二三個審稿人的正面意見。這些刊物刊登的論文有很重要的，有一般的，也有錯的，甚至還有偽造和篡改的。任何高影響因子刊物所發表的論文被引用次數都有一個很寬的分布，往往小部分論文貢獻了絕大部分的引用數，也有相當一部分引用很少的，甚至零引用的。即使擠掉水分以後的高引用數，也還與不同領域的熱門程度有關，不一定與成果的原創性和重要性直接相關。什麼是好的學術評估體系？它可以引導健康有效的科研，避免不健康的競爭；可以吸引一流的學生和教授投入科學研究事業；可以留下一流的研究人員在本單位從事在科學史上留下痕跡的重大成果。這次諾貝爾物理學獎提醒我們，一切看期刊的影響因子是要不得的。讓我們追求科學真諦，重新回到用科學的方式來評價科學成果的軌道上來。切記，不要片面追求一定要在高影響因子的刊物上發表重要成果，真正具有重大原創性、有希望獲得大獎的研究成果優先發表絕對是第一位的！第二等或第三等重要的工作也許可以考慮發表在高影響因子刊物上。對我國科學界的評價標準適當地糾偏，不要被期刊的影響因子牽著鼻子走，現在應該是時候了！
第三，我們需要認真學習日本的科研模式和企業文化中的積極因素。2000年以後日本已有12人獲得諾貝爾自然科學獎，其中不乏一些在國際上知名度不高機構工作的研究人員。這固然是由上世紀80 年代起日本增大對科技投入所導致的，然而日本的科研布局和規劃也很值得我們借鑑。日本的研究管理部門經常一方面圍繞科學意義極其重大或應用前景十分明確的重要研究項目，投入巨額經費並組織攻關；另一方面也資助一些冷門課題，支持對一些並非熱點的領域進行掃描式的長期研究。GaN發光二極體的突破，鐵基超導的發現，領域內知名度不太高的研究人員做出了這些重大的原創性的突破，這種現象並非偶然。對比我國的科研工作，在研究經費和研究成果評價兩者的聯合驅動下，研究人員的研究興趣越來越趨同於國際熱點領域和熱點問題，選擇一個冷門課題十年磨一劍的越來越難於生存。不用說國家的重大項目和重點項目，就以口碑最好、鼓勵研究人員憑興趣自由選題的國家基金委面上項目而言，我今年參與評審了物理I 領域，我的感覺是，面上項目也越來越集中於幾個熱點問題。這樣下去不加以改進，隨著我國在高影響因子的國際刊物上發表論文越來越多，追蹤熱點問題的研究能力越來越強，我們真正有重大原創性的成果會不會隨之越來越多？這是個問題。
另一個值得我們關注的是，日本企業對科技研發的眼光、決心和投入。中村修二所在的日亞化學這樣一個靠螢光粉起家且做得不壞的中小企業，很早就著眼於進一步的發展，開設了一個小小的研發部門。後來敢於投入幾億日元給中村發展GaN藍光LED，無疑是很有魄力的，也使日亞成為世界上白光照明領域的領頭企業。這很值得我國企業學習，特別是中小企業要有自己的研發力量，時時想著明天的產品和長遠的發展。另一方面，我國科研機構的應用性研究要成正果，必須要依靠企業做大做強。兩張皮的問題不解決，終難在重大創新產業上做強。此外，也許是由於科舉文化傳統的長期影響，我國的科學研究人員傾向於理論研究，以論著文章為最終成果，認為這是水準高的研究；而解決實際問題，特別是做大做強一個產業，往往被一些人認為是不務正業。而日本不是這樣，他們的應用研究，特別是把研究成果推廣到產業界，絕對是世界一流的，非常值得我們借鑑學習。
總之，中國的科學研究已經取得很大的進步和成績。隨著國家經濟實力的增強和投入的增加，只要我們注意解決一些前進中的問題，植根於大陸本土的研究成果獲得諾貝爾獎，並不是遙不可及的。
（本文發表在《物理》，2014年43卷第12期，809—812頁）
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