照亮日盲區(qū)的“鉆石之光”———記我校第十三屆中國研究生電子設(shè)計(jì)大賽特等獎獲得者“拓新者”團(tuán)隊(duì)
金剛石，即鉆石的原石，是一種天然礦物，具有很高的工業(yè)和科學(xué)價(jià)值。我校物理工程學(xué)院的“拓新者”團(tuán)隊(duì)將金剛石運(yùn)用于日盲紫外探測領(lǐng)域，并取得了突出成就，使金剛石在日盲紫外探測領(lǐng)域散發(fā)出璀璨的光芒。
2018年 8月 19日至 22日，第十三屆中國研究生電子設(shè)計(jì)大賽全國總決賽在南京舉辦，比賽共吸引了來自全國8大賽區(qū)的361支隊(duì)伍、1400多名隊(duì)員參加。其中，由我校物理工程學(xué)院2016級碩士研究生張錦榜、陳彥成，2016級博士研究生林超男，2017級碩士研究生郭倩、魏偉組成的“拓新者”團(tuán)隊(duì)，憑借作品“日盲紫外探測預(yù)警裝置”榮獲全國特等獎，取得了我校在該項(xiàng)賽事中的歷史最好成績。
日盲紫外探測技術(shù)是繼紅外和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的光電探測技術(shù)。電磁波譜中波長范圍在 10nm—400nm的輻射被稱為紫外線。由于臭氧層的吸收，波長短于280nm的紫外線在地平面附近幾乎衰減為零，猶如一間天然的“暗室”，因此該波段被稱為“日盲區(qū)”。而地表上火箭發(fā)射、炸藥爆炸、火災(zāi)和高壓輸電線漏電等情況都會產(chǎn)生日盲紫外光，這些光現(xiàn)象并非肉眼可見，需要利用靈敏的探測器來“捕捉”。
目前普遍使用的光電倍增管型紫外探測器和硅基紫外探測器都有很大缺陷，探測效率低且耗能大，因此高性能、低成本的日盲紫外探測器的制備一直備受關(guān)注。
項(xiàng)目確立之前，我校物理工程學(xué)院通過MPCVD（微波等離子體化學(xué)氣相沉積）技術(shù)制備出了高結(jié)晶質(zhì)量、高光學(xué)質(zhì)量的單晶金剛石，為日盲紫外探測預(yù)警裝置的創(chuàng)新研發(fā)提供了性能優(yōu)良的原料。因此，張錦榜與林超男、陳彥成等5位同學(xué)懷著對科研的夢想和熱情，組建了一支名為“拓新者”的科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)，共同研制新型日盲紫外探測預(yù)警裝置。
新型日盲紫外探測預(yù)警裝置的核心元件是光電探測器。當(dāng)光照射到設(shè)備時(shí)，高性能的金剛石光電探測器會將光轉(zhuǎn)換為電流，如果儀表檢測到電流劇烈增加，就說明檢測到了波長短于280nm的紫外線。電信號會通過數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再將處理過的信號發(fā)送給串口屏和語音報(bào)警模塊，從而實(shí)現(xiàn)日盲紫外監(jiān)測情況的及時(shí)顯示以及語音報(bào)警功能。該探測器具有高靈敏度、高熱穩(wěn)定性、響應(yīng)速度快等特性。憑借著這項(xiàng)科創(chuàng)成果，“拓新者”團(tuán)隊(duì)在第十三屆中國研究生電子設(shè)計(jì)大賽中，從學(xué)校一等獎走向了全國特等獎的領(lǐng)獎臺。
在一路“過關(guān)斬將”的比拼中，“拓新者”團(tuán)隊(duì)并非一帆風(fēng)順。2018年7月，在我校承辦的第十三屆中國研究生電子設(shè)計(jì)大賽華中分賽區(qū)的比賽中，雖然日盲紫外探測預(yù)警裝置表現(xiàn)優(yōu)異，取得了華中分賽區(qū)第一名的好成績，但團(tuán)隊(duì)成員還是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)棘手的問題：裝置中用金剛石作為核心器件的光電探測器的性能并沒有達(dá)到理想狀態(tài)，當(dāng)探測到日盲紫外線時(shí)，光電探測器的響應(yīng)值不夠大，響應(yīng)速度也不夠快。這個(gè)問題讓隊(duì)員們非常擔(dān)心能否在接下來的全國比賽中取得好成績。
于是，負(fù)責(zé)光電探測器制作的林超男和陳彥成開始嘗試各種方法重新制作光電探測器?！斑@是一個(gè)特別繁瑣的過程。”林超男說。每次從制作到測試大概需要兩到三天的時(shí)間，樣品制成后還要連夜測試性能，所以他們經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室連續(xù)通宵三四天。在嘗試了幾十種方法后，他們終于在全國比賽開始前一周取得了突破性進(jìn)展：利用激光直寫技術(shù)在金剛石表面制備直插電極。這樣制成的光電探測器，響應(yīng)值從之前 0.2A/W 增長為 21.8A/W，響應(yīng)速度由幾毫秒縮短為0.26毫秒，光電探測器的性能得到了極大提升。
全國總決賽的賽程分為小組答辯和“TOP10”路演兩個(gè)環(huán)節(jié)。憑借優(yōu)良的裝置性能和充足的賽前準(zhǔn)備，“拓新者”團(tuán)隊(duì)以小組第一名的優(yōu)異成績順利進(jìn)入“TOP10”。“TOP10”路演與答辯不同，參賽團(tuán)隊(duì)要面對的不是評委，而是學(xué)生和投資者，所以演講內(nèi)容必須通俗易懂，要將枯燥復(fù)雜的專業(yè)知識變得既不失趣味，又保持嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確。經(jīng)過慎重考慮，隊(duì)長張錦榜與隊(duì)友們最終決定把已經(jīng)準(zhǔn)備好的演講稿和PPT全部推翻，在老師的指導(dǎo)下調(diào)整思路，重新設(shè)計(jì)。他們從人們熟悉的鉆石講到金剛石，然后引入日盲紫外線的概念，最后講解到日盲紫外探測預(yù)警裝置。由此便誕生了 《日盲紫外探測預(yù)警裝置：鉆石———從首飾到探測》這篇生動形象的演講稿。
為了保證第二天的路演順利進(jìn)行，團(tuán)隊(duì)成員全力以赴，利用賽前僅剩的十幾個(gè)小時(shí)重新準(zhǔn)備演講稿，從下午一直工作到凌晨2點(diǎn)。“整個(gè)團(tuán)隊(duì)有非常明確的分工，有人做圖，有人改稿，大家齊心協(xié)力，爭分奪秒。”張錦榜說，“每個(gè)人都深切體會到了團(tuán)隊(duì)的力量！”作為隊(duì)長和演講人，張錦榜幾乎一夜未眠，直到將演講稿和PPT全部熟記于心后才勉強(qiáng)休息了一會兒，天不亮便又爬起來繼續(xù)準(zhǔn)備。
經(jīng)過全體隊(duì)員的共同努力和張錦榜的全身心投入，路演取得了令人贊嘆的優(yōu)異成績。演講過程中，全場數(shù)次響起熱烈的掌聲。“你把一個(gè)科研工作者對科研事業(yè)的熱情和激情全都表達(dá)出來了！”團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師、物理工程學(xué)院郭娟副教授對走下舞臺的張錦榜說。隨著大屏幕上實(shí)時(shí)投票數(shù)的上漲，“拓新者”團(tuán)隊(duì)最終以“TOP10”路演第二名的成績斬獲全國特等獎。
值得一提的是，日盲紫外探測預(yù)警裝置不僅技術(shù)過硬，還兼具精致的外表。在參加華中分賽區(qū)的比賽時(shí)，裝置中所有的電子器件都鑲嵌在一個(gè)木制箱子里。“如果作品的包裝材質(zhì)做得很粗糙，即使它的性能很好，也很難在國家級比賽中出彩。”張錦榜說。為了讓作品在制作上更加精細(xì)，在參加全國比賽之前，隊(duì)長張錦榜和隊(duì)員重新對電子器件進(jìn)行了集成，并設(shè)計(jì)打造了一個(gè)金屬外殼，將裝置開發(fā)成為一個(gè)相對成熟的產(chǎn)品。
關(guān)于日盲紫外探測預(yù)警技術(shù)的相關(guān)研究成果，“拓新者”團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在核心期刊上發(fā)表了4篇SCI收錄論文，并且正在申請發(fā)明專利。盡管已經(jīng)取得了令人矚目的成績，但張錦榜認(rèn)為，在日盲紫外探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，以及日盲紫外探測器件的研發(fā)和生產(chǎn)工藝上仍有很大的提升空間。目前，“拓新者”團(tuán)隊(duì)正著手從優(yōu)化性能和降低成本兩個(gè)方面努力，讓日盲紫外探測預(yù)警裝置在軍工、民生等實(shí)際應(yīng)用中綻放出更加耀眼的光彩。
