百年清华

1964级校友赵正平:深中肯綮抓关键 专心致志搞科研

2021-11-15 | 来源 公号“THU电子系校友会” |

赵正平 毕业于清华大学无线电电子学系。毕业后在河北井陉县电讯器材厂任二极管车间主任、厂技术员。1979-1982年在南京工学院电子工程系半导体物理与器件专业攻读硕士研究生。毕业后在信息产业部电子第十三研究所工作,历任课题组长、研究室副主任、主任、主管科研的副所长、所长,为研究员级高级工程师。赵正平多年来一直从事砷化镓集成电路与微米、钠米的技术研究,是该领域的专家和学术带头人。科研成果显著,获国家科技进步奖二、三等奖各一次,部科技进步奖一、二、三等奖六次,1993年获得政府特贴专家称号,1994年获国家中青年专家称号,2000年聘为国家863信息领域专家委的专家。2002年开始在中国电子科技集团公司工作,历任党组成员兼总经理助理、科技委任副主任、党组成员兼副总经理。2006年,被科技部聘为"核高基"国家科技重大专项实施方案编制专家组专家,2008年退休。此外他还曾兼任总装备部军用微电子专业组成员;卫星有效载荷及应用技术专业组成员;中国半导体行业协会副理事长、中国半导体分立器件理事长、中国微米纳米技术学会付理事长;西安电子科技大学教授、博士生导师;清华大学电子工程系客座教授、副博导,河北工业大学教授、博士生导师。

1947年,赵正平生于镇江,父母均在江苏医学院(南京医科大学前身)担任教研组主任、教授,还曾是同班同学,学习成绩分列班级前两名。父亲曾公派留学英国,1957年加入共产党。1952年,他五岁半上镇江敏成小学(道署街小学),四年级加入少先队。1957年江苏医学院搬迁至南京,五年级时随父母前往,就读著名的南京力学小学。由于条件得天独厚,他德智体全面发展,屡获三好学生奖状,初中保送至名师荟萃的南京十中(金陵中学),高中又直接考上十中。

清华之梦,梦想成真

儿时,赵正平所居住的苏医大院有一人考上清华大学,成为大院内的美谈佳话,当听到父母谈论时,“清华大学”四字也在他幼小的心灵深处播下种子,从此他萌生了向往之情。高考前,十中的大礼堂里挂满了各大学的介绍,清华大学的“清华园,红色工程师的摇篮”这一响亮口号触动人心,他暗下决心报考。当晚,景色宜人的清华园神奇地进入他的梦境:流水淙淙,荷叶田田,青青弥望。1964年秋,他终于圆梦清华大学,成为无零5班电真空技术专业的一名学生。入学那天,转过旧水利馆,前往9号楼的路上,半年前的梦境竟栩栩如生展现在眼前:素秋新霁,林水翳然。行走其间,他心旷神怡。

清华教育为国育才,鼓励学生勤学励志。忙碌的学习生涯开始后,对赵正平影响最深的是系科研标杆、又红又专的典范查良镇学长,那时他已研制出真空质谱议,又是新中国首批少先队员。榜样作用活灵活现,胜于说教。查良镇的钻研精神激励鞭策着赵正平,他立志在科研上有所建树、有一番作为。夏夜,老图书馆隔水而望,翠色和烟。拾级入馆,大门高敞,明窗映碧,桌几整洁,邺架宏构。学习气氛安静肃然,他和同学们心以致远,竿头日进。在争分夺秒的日子里,图书馆未必能占得座位,好在系馆里亦能寻得合适场所。他也更多在宿舍埋头苦读,八名室友围坐在小桌旁,时针滑向夜分……

在清华图书馆和徐永廷的合影

理论实践,方法为先

时任清华大学校长蒋南翔指出,学校不提供“干粮”、“面包”,而是教会学生分析解决问题的“猎枪”、“鱼秆”等工具、方法。在赵正平眼中“立德树人”的“树人”树立方法论,立德则包括宽仁律己,为人师表。马克思主义指明,人类历史是从必然王国走向自由王国的历史。他还学习毛主席的“实践论”、“矛盾论”,深刻领悟“实践出真知”、“抓主要矛盾”等基本原理。

在南京十中时期,赵正平面对繁重功课,深加汲取,融会贯通,成绩一直拔尖。到大学阶段,他更善于抓住本质,勤思磨研,不断总结方法,将知识转化为自己的认知。在高等数学课堂上他一边记录讲课内容,一边概括教学思路。每章节内容、题型、解题思路各有主次,他认真加以总结归纳:高中数学知识多是线性问题,而大学数学则多为非线性问题;导数是变化率,积分是不规则的曲线面积……他灵活动脑,钩沉索隐,第一学期高等数学考试成绩达100分。他还在英文学习中运用交替学习法、循环记忆法。此外,他重视实践基础课,在文革“复课闹革命”期间积极参加真空实验,首次洞悉扩散泵、机械泵,全心绘制电真空解剖图,打下了工程制图的坚实基础。

体育锻炼,磨砺意志

清华一向高度重视体育运动,强调其磨练意志品质的作用。赵正平从小热爱体育,初三因跳高突出,成为三级运动员。中学他擅长排球,是南京十中排球运动员。在清华,他顺利考上入校排球队成为副攻手。当年,他所在校代表队效仿日本女排教练大松博文的魔鬼训练,平时勤学苦练,经常在训练场地摸爬滚打,挥汗如雨,苦练防守技术。他感到,体育锻炼之后头脑格外清醒,学习劲头更大、效率更高。清华代表队还赴天津参加校际比赛,那年代表队同学的考试平均成绩达88分,可谓品学兼优。

清华男排1968年在西校门

陶冶情操,开阔胸怀

大学正是建造“自由王国”的阶段,清华鼓励学生组织参加各种集体活动。作为班长,赵正平积极参加班级各项活动。1964年国庆节,他和同学们一起参加天安门游行活动。夜幕降临,华灯初上,在金水桥下,同学们载歌载舞,激情澎湃,陶醉在未来建设祖国的憧憬之中。那年金秋时节,他和班里同学一起攀登长城。他们从清华园站乘坐小火车抵达八达岭。山川满目,烽燧遥悬,落照衔云,他和同学们感受到祖国山河壮美,爱国豪情油然而升。暑假,在“学兵“活动中他随校代表队在颐和园参加水兵连,还在炊事班兼任司务长负责伙食。学校生活丰富多彩,在其中他陶冶情操,开阔胸怀,得到了更多历练,清华无线电系的学生时代留下了不少美好记忆。冬日清晨,他步出九号楼宿舍,趁着神清气爽背诵英文,晨曦瞳瞳,霞光万道,淡烟叠翠,他的目光投向了远方。

未来的科研道路既需要在实践中运用方法论,深中肯綮,把握关键,抓主要矛盾,又需要专心致志,心无旁骛,久久为功,将个人发展与国家需要紧密结合起来,为祖国的科研事业做出贡献。

64年无05班在八达岭

工厂锻炼,心无旁骛

1970年,赵正平毕业,被分配到河北省井陉县赵庄岭公社小作村附近的井陉县电讯器材厂——深处偏僻山沟的县办军工三线小厂。他背着柳条包、铺盖卷前往报到,成为制造电池车间的工人。

工厂设有电池车间和二极管车间,他在电池车间负责配电解液。清华人具有自强不息的精神,毕业时同学们鼓励互勉“好好干”。他积极做好本职工作同时和老师傅一起搞电池工艺革新。进厂一年后,在原锗二极管车间搬迁到“二讯厂”后,厂里就把新建二极管的重任交给他,任命他为硅二极管筹备小组组长。 筹建二极管线需要蒸发金属的蒸发台,于是他前往140里之外的石家庄河北半导体研究所(信息产业部第十三研究所);该所是井陉县电讯厂的援建单位,求援了一台仓库中废旧的蒸发台。依据工艺要求他对蒸发台的结构重新设计,将原来笨重的金属封罩改为玻璃钟罩,将新设计绘制图纸,请工程师傅加工,对已淘汰的旧蒸发台进行了彻底改造,并和师傅一起悉心清洗扩散泵、机械泵,加入新油重新利用,变废为宝。为此,他还带队亲赴上海,在上无十七厂学习二极管工艺,得到无私的大力帮助。1973年,他带领小组自建厂房,自制扩散炉、氧化炉、去离子水和测试仪器等设备,铺设硅开关二极管线。新的硅二极管车间建成后,他担任二极管车间主任,负责生产和解决各种技术难题。例如二极管的正向压降总出现波动,他发现是因为硼扩散后在硅表面形成了一层硼硅玻璃,若后续的二次氧化不充分,其腐蚀后易形成残留。找到关键问题后,他立即加强了关键工艺控制。这期间他还自学半导体,购买格鲁夫的《表面物理》等,探索技术问题。二极管车间的产量稳步上升,到1976年遇上基于分立器件的台式计算机发展机遇,产量已达百万,净利润达30万元。1978年他光荣地加入了中国共产党,实现了在清华大学开始的志愿。

南工生涯,科研起点

然而,随着集成电路的兴起,工厂的二极管销路阻断,资金匮乏,无力更新换代。1978年初清华无线电系给工厂致函,希望赵正平返校回炉再造,当时他身兼全厂技术员、车间主任,是技术骨干,未获工厂同意。同年秋,研究生考试制度恢复。希望重燃,他下定决心,大胆尝试。经过首考短暂挫折和一年时间的准备,1979年他再次步入考场,专业考试第一题涉及有效质量的概念,他用固态电子能带的偏微分方程一挥而就;哲学第一题是列宁关于物质的定义,他又一字不差。他充分发挥基础雄厚、自学能力强、善抓重点的优势,一举考入南京工学院电子工程系(6系),攻读半导体物理与器件专业。全县17人考试,仅录取他一人。

南工读研成为他科研生涯的起点,磨砺出过硬的科研本领。第一,科研外语综合水平得到全面提升。他抓住科技英语中一词多义、句型套用关联的特点,并在大量阅读文献中实践,强化了阅读文献的技能——阅读文献轻松自如,打牢了科研知识基础。第二,科研选题能力不断提高。当时,南工半导体教研室正研究硅MIS太阳电池,他选择了MIS太阳电池中的超薄层介质膜作为研究课题,随后深入阅读研究上百篇相关文献,记录了五大本笔记。采用椭偏仪测量方法可同时获得硅上介质膜的膜厚和折射率,但当介质厚度低于50埃后,不同厚度的薄膜中决定薄膜折射率的椭偏仪的参数相重合,无法分辨超薄介质膜的折射率。当时国际上有些研究者将这一层超薄介质设定为二氧化硅,由此将薄膜的折射率设定为1.47,然后依据椭偏仪测到的δ参数来得到硅上超薄介质膜的膜厚。国际上也有些研究者通过各种表面分析方法提出Si表面上超薄氧化层不同的结构模型。他采用低温热氧化方法制备了多个不同厚度的硅上超薄介质膜样品,到南化公司采用新引进的表面分析设备对每个样品进行俄歇谱和XPS谱的综合分析,发现这层物质是由硅、氧化亚硅、一氧化硅、二氧化硅等组成的混合体SiOX,X值随厚度而变化,为此,他依据分析结果构建了超薄介质的SiOx的综合模型。计算出X值,据此查表得出SiOX折射率。将椭偏仪测到的δ参数和SiOX折射率代入他用计算机语言编好的椭偏仪测量函数公式,通过计算机即可得到更接近实际的测量厚度。该研究成果发表在“南工学报”和“半导体学报”上,并荣获电子部科技进步二等奖。通过在南工的读研,他认识到,一定要选小而深、国际上存在争论、尚无定论的难题,才能有所创新。他的硕士论文获评优秀论文,毕业后他被分配到了位于石家庄的电子第十三研究所。

超薄氧化层测厚技术获奖证书

深中肯綮,持续攻关

电子第十三研究所是我国四机部最早的半导体研究所,也是我国首个晶体管的共同攻关单位和首块实用化集成电路发明地。他入所时正值研制第二代半导体GaAs功率器件处于攻关状态的最困难时期,他作为十三所文革后的首位研究生,被安排在第五研究室——挑战最大、最吃紧的前沿,以普通技术员身份,在502组从事光刻工艺。十三所战功赫赫的工程师都在一线,小组中十几人全是拔尖人才,他在此环境下脱颖而出。

当时,十三所已攻下微波X波段100毫瓦、500毫瓦等GaAs中、小功率器件,然而当器件的总栅宽按比例增致瓦级器件所需总栅宽时,流片出的器件增益为零分贝,对此久攻不下。面对难题,赵正平在做好光刻工艺的同时也积极参与攻关设计工作,采用抓主要矛盾的思路,分析增益为零的原因。通过GaAs器件等效电路模型的分析,当增加器件总栅宽较大后,在此器件物理模型中采用空气桥面接地的电感这一寄生参数显著增加,导致增益大幅下降。凡事“预则立,不预则废”。在获知将分配至十三所工作时,他已有备而来,将微波电路方面书籍从南工的无线电系(4系)的同学借来阅读,包括清华无线电系高保薪教授的《微带电路》等。他还写信和搞微波的4系的同学,咨询问题,验证分析。正在此时,4系的李嗣范教授从日本带回来X波段瓦级的器件,得知消息后,他认为机会难得,于是用五支自制的X波段500毫瓦管子,交换到其中一支。当时国际上公开发表文献上报道:X波段的GaAs功率的多指器件的单指栅宽不能超过125微米,一旦超过,会导致传输的信号大幅衰减。而从日本引进的瓦级器件的单指栅宽突破了这一限制,给他新的启示。他再次计算了单指栅宽的信号的传输损耗和寄生接地电感的传输损耗,权衡后得出单指栅宽、总栅宽和面接地的尺寸的最优设计方案。课题组长李松法研究员按照新方案重新设计制作版图,经全组同志的努力第一次投片即获成功,器件的增益上升到4-5dB!旗开得胜,难题解决,该课题组的X波段GaAs瓦级功率器项目件荣获电子部科技进步一等奖,他在十三所脱颖而出,所里将更重的任务交给他。

1985年,难题又接踵而至。国家“六五”攻关任务要求制作X波段砷化镓的微波功率单片集成电路(MMIC),即在GaAs衬底材料上制备包含功率器件和匹配电路的单片集成的两级功率放大器,用于重点工程。有位老同志攻关三年,制成了放大器,但中心频率总不稳定、带宽较窄,久攻不下,而离完成任务已是最后的一年了。为此,室里专门成立了新的攻关小组504组,赵正平担任课题组长。他首先阅读文献,发挥优势,详查国际上GaAs单片功率集成电路的相关文献,已有文章报道,当匹配电路的GaAs微带之间的间距小于3w/h时,相互之间会产生交扰效应,会影响电路的性能。经CAD计算模拟原设计的放大器电路性能正常,而分析原单片电路的设计版图时,他发现匹配电路的两个微带间距太近(仅有1.5w/h),判断其所产生的交扰效应是影响频率性能的关键。他重新设计了电路的版图,将匹配电路由微带改成集总参数的新方案,由电感和电容组成匹配电路,与微带方案相比较既缩小了电路的尺寸又便于拉开匹配元件的距离。在全组的努力,包含原设计的老邓研究员的全力参与,新版一次投片成功,频率稳定,且带宽增加了5倍。据此又完成了两级MMIC的投片,经用户使用,满足整机要求。1985年当年实现定型鉴定并按时完成任务,1986年此国家的六五攻关任务——砷化镓微波单片功率集成电路放大器获电子部科技进步一等奖、国家科技进步三等奖。

上世纪80年代中期,国内微波通讯蓬勃发展。504小组瞄准当时微波通信急需的GaAs微波振荡管进行新的攻关,原制作的空气桥面接地结构的器件用于微波振荡管时增益偏低,仅有五六个分贝,工作频率总在10GHz左右徘徊。为了攻下18GHz的频率,如何提高增益,问题在哪?他再次大量查阅国际文献。在国际MTT会上,报道了采用一种源区穿孔技术,将GaAs功率MMIC的频率一下提高至28GHz。而能否从GaAs多栅器件的源区的空气桥面接地结构改为源区直接接地的结构,将会使接地寄生电感更小?他决定带领小组的工程师自行研制一套源区穿孔工艺。经计算,新结构将使器件的寄生电感大幅下降,且将芯片约减薄至20微米,在从芯片背面镀上一层厚金,更易于散热,使器件工作结温进一步降低。1987年,高频高增益砷化镓功率器件制成,工作频率上升至18GHz,在12GHz下的功率增益达10-11分贝。经微波通信的用户使用,反应很好。该器件获得电子部科技进步二等奖,并得到大量应用。

GaAs 功率MMIC获奖证书

高屋建瓴,勇担重任

1986年,赵正平先后担任十三所第五研究室副主任、主任。1987年后又提为副所长,开始主管全所科研。随着卫星通信的发展,国际上已实现了C波段的星用真空行波管功率放大器被星用GaAs固态放大器所替代。我国发展通信卫星也急需用于转发器中的核心部件GaAs固态放大器。十三所一直研究砷化镓大功率器件(固态放大器之核心),国家重任意味重大发展契机,在毕所长的带领下他决心承接国家急需的任务,一个研究所要发展必须急国家之所急,敢打硬仗。1991529日上级下达了攻关任务,时间紧迫,仅剩一年九个月,任务艰巨,是国内首次研发高可靠的星用GaAs固态放大器。大会战成立了“两师”系统,毕所长担任行政总指挥,他担任副总指挥兼总设计师,组织全所8个研究室500人展开会战。最终星用固放的会战取得完胜。

面对全新课题、重重难关,他调动全所力量,集思广益,齐心协力,组织会战,突破了多项关键技术:以高可靠系列GaAs微波功率器件为主的微波放大链;微波GaAs大功率内匹配与结温精确测量技术;金属陶瓷大腔体封装技术;以高可靠Si双极静电感应功率开关管为主的一体化开关电源技术;抗浪涌电流的固态开关技术;星用的保险丝技术;薄壁金属多腔放大器外壳和星用一体化固放可靠性设计与工艺技术等。经过全所同志的一年零九个月的日夜奋战,一体化的星用GaAs功率放大器研制成功,完成了上卫星的达载任务,其国产化率达99%,使用性能优于引进产品,常期稳定可靠。为此赵正平荣立电子部个人一等功,十三所该项目获国家科技进步二等奖、电子部一等奖。C波段的星用固态放大器的研制成功开创了国产固态放大器的先河,十三所继续研制成功了气象卫星、通讯卫星、导航卫星和载人飞船等固态放大器和微波组件,不断推动高可靠GaAs微波组件的国产化进程。

GaAs一体化固态功率放大器获奖证书

在神舟一号发射成功会上

1993年,毕所长上调后,赵正平被任命为所长,作为年轻的所长,面对新的任务,他学习了“领导科学”,认识到任何事物发展均有其规律性、特殊性,科研工作和管理工作在道理上是相通的。领导十三所发展也是一门科学,要掌握管理的规律性,当好所领导班子的班长。他在所领导班子中明确分工,并形成AB角,他非常尊重每位付所长,使他们有职有权,他和党委书记形成共商大事的格局。他主要负责两件事,一是把握所发展的科研方向,二是带好所班子,对全所工作负总责。

1992年年初,微电子专业组成立,他成为首届国家级微电子专业组成员,进入国家战略制定的专家层面。他将电子13所的发展和国家微电子的发展紧密相结合。他提出的发展GaAs微电子的建议被采纳,并为后续系列的星用GaAs固态放大器和GaAs MMIC的大发展所验证。

给江泽民总书记汇报微电子预研成果

在所科研方向上,他建立了GaAs功率器件与集成电路重点实验室,推动GaAs集成电路的发展,在所光电子领域推动发展了GaN兰光LED和瓦级的半导体激光器,同时他在发展微电子机械系统(MEMS)和新一代SiCGaAs宽禁带半导体两个新领域做出贡献。上世纪80年代末到90年代初国际上开始发展SiMEMS,他敏锐发现这一“小机器,大作为”的新的方向,是微电子两维工艺技术向三维工艺在微电子和微机械交叉领域的新发展。每年十三所都有“所控课题”,赵正平立即给情报室下课题,指明业务方向,追踪MEMS的发展。1995年,当国家开始重视MEMS发展时,13所在微电子专业组中能提供厚厚一本国际MEMS发展资料,支撑了微电子专业组中MEMS领域发展。在情报先行的条件下,在所里,他抽调精兵强将安排到所里一条四英寸晶圆的硅工艺线开展MEMS的预先研究,拉开了十三所MEMS发展的序幕。为此,十三所、清华和北大成为我国发展MEMS的“北方金三角”,十三所是中国微米纳米技术协会的成员单位,作为发起人之一,他出任微纳技术协会常务副理事长。

90年代后期国际上开始SiCGaN为主的新一代宽禁带半导体功率器件的研究,作为微波功率器件的专家,他一直关注这新一代半导体的发展动向,立即安排了所控情报课题研究,并在所里从事前瞻性研究的重点实验室安排宽禁带半导体功率器件的预先研究,研发出国内首款GaN HEMT器件。1999年,赵正平就任国家973计划的新器件专家组组长,他建议把在功率器件领域具有发展潜力的宽禁带半导体材料和器件写入《发展纲要》。到中国电科工作后,他分管基础领域工作,他带领集团所属13所、55所、46所等研发力量,联合全国最优秀高校、中科院等研究单位申报并组织宽禁带半导体材料与器件的攻关,任973项目的首席专家,该攻关任务也极大推动了十三所在宽禁带半导体功率器件的新发展。

2001年江泽民总书记到电子13视察

新世纪开始部属电子所迎来改革的机遇,上级决定46个研究所和所属企业组建集团公司,20019月中组部批了筹备组,赵正平是筹备组的成员之一,2002年中国电子科技集团公司成立。他历任中国电子科技集团公司的党组成员兼总经理助理、科技委任副主任、党组成员兼副总经理。中国电子科技集团公司是唯一具有23个元器件基础研究所的电子集团,在国家发展电子基础方面具有重要责任。新的工作岗位使他能在更大的舞台上为国家发展献计献策。2000-2006年作为863信息领域的专家参与了高端集成电路专项的发展战略和项目的顶层管理,2003年作为课题负责人组织领导中国电科的48所攻克863的课题100nm离子注入机。2004年他在有关会议上提出元器件自主可控发展的建议,2005年将包含宽禁带半导体和半导体光电子等内容的“先进半导体”项目上报,后被纳入国家科技重大专项的“核高基”(核心器件、高端芯片、基础软件)项目之中。2006年,他被科技部聘为"核高基"和“极大规模集成电路工艺和设备”两个国家科技重大专项实施方案编制专家组专家,参加重大专项的方案制定。20088月,“核高基" 重大专项正式启动时,他于5月份刚退休。“为祖国健康工作五十年”的清华精神激励他继续工作在他所热爱的半导体事业上。他在“核高基" 的宽禁带SiCGaN微波功率器件课题中任总设计师,继续组织领导上述973项目形成的国内优势团队,将预先研究成果提升到工程化产品。2012年,又牵头申报了新的973项目,任首席专家继续组织领导高频高速的GaN集成电路的前瞻性技术发展,2016年全面完成。他至今仍然是半导体行业协会的专家组的付组长,科技委电子领域专家,重点实验室学术委员会的付主任,快乐地为国家的半导体事业贡献智慧。

赵正平健康地为祖国工作五十年

访谈至此,我们不仅深思:是什么造就了赵正平教授累累的科研成果?为什么他总能把握方向,深中肯綮,让难题迎刃而解?一是他善于运用矛盾论,抓主要矛盾。他说,科研工作每遇困难,必有关键因素在起关键作用,能否找到它至关重要,这正是矛盾论的核心。抓住问题的核心,运用矛盾论,着力于关键点,集中发力,解决主要矛盾,其他问题就迎刃而解了。科研所的发展上要有战略眼光,要善于超前的寻求国家的需求,解决国家需求就是核心问题,就是研究所发展的主要矛盾。二是他专心致志,心无旁骛。他强调,科研教育重在志存高远、全心投入,一心一意追求人生价值的实现。立足于长期实践的专心致志、久久为功能收长期精一之功,最终实现个人理想与国家需要的更好结合。

采访合影

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采访 | 陈文华、万军、乔元春

摄影 | 部分图片由受访者提供

撰稿 | 万军



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    知乎这两天有个热榜话题:曹丰泽去非洲建设水电站了,并成为2021清华大学年度人物候选人之一。他的选择给你哪些感触?这是个在知乎很能引发话题的话题。因为那个著名的词“内卷”,进化成如今我们都知道明白深有体会的内涵意义,都拜托于曹丰泽一遍又一遍的“反内卷”论调,才让我们有了一个准确的词来形容如今这种内部厮杀的状态。

  • 152021.12

    袁国盼:相见欢•我们的清华•历

    入冬岁末匆匆/喜飞鸿/畅阅清华日历/暖怀融/诗画对/绝佳配/雅娴风/吟赋荷塘几阕/寄心衷