國際石墨烯領(lǐng)域研究前沿和熱點的可視化分析

黃宇霞

摘 要：本文以Web of Science數(shù)據(jù)庫中石墨烯領(lǐng)域的文章題錄為數(shù)據(jù)來源，應(yīng)用專業(yè)信息可視化軟件CiteSpaceⅡ，對國際石墨烯領(lǐng)域的文獻進行可視化分析，來探究該領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢、代表人物以及經(jīng)典文獻等科學(xué)計量信息，以理清石墨烯領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)鍵詞：石墨烯；CiteSpaceⅡ；知識圖譜；研究熱點；研究前沿

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

本文以科學(xué)計量學(xué)的可視化分析工具——科學(xué)知識圖譜為主要研究方法，應(yīng)用由美國德雷賽爾大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳超美博士開發(fā)的信息可視化分析軟件CiteSpaceⅡ，對Web of Science 中石墨烯領(lǐng)域的研究文獻進行可視化分析，分析該領(lǐng)域的知識演進過程、地域和機構(gòu)分布、以及熱點和趨勢。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文以Web of Science數(shù)據(jù)庫中石墨烯領(lǐng)域的研究文獻題錄為數(shù)據(jù)來源。在進行數(shù)據(jù)檢索時，以“graphene”作為主題詞，文獻類型設(shè)定為“article”，檢索年限選擇為1986年至2015年，對數(shù)據(jù)庫進行高級檢索，檢索式為“TS=（ grapheme*）”，共檢索到9073條記錄。

2 分析與結(jié)果

2.1 研究機構(gòu)分布圖譜分析——石墨烯領(lǐng)域研究機構(gòu)分布

將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CiteSpaceⅡ中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)定為機構(gòu)（Institution），設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝担\行CiteSpaceⅡ后得到石墨烯領(lǐng)域研究文獻的機構(gòu)分布圖譜（圖1）。

圖1所示的圖譜由366個節(jié)點和161條連線組成。圖中每個節(jié)點代表一個科研機構(gòu)，環(huán)繞節(jié)點的不同顏色的圓環(huán)代表該機構(gòu)發(fā)表文獻的時間序列，即每個顏色的圓環(huán)與該機構(gòu)發(fā)表文獻的年份相對應(yīng)。節(jié)點大小與該機構(gòu)發(fā)表的文獻數(shù)量成正比，即節(jié)點越大，其發(fā)表的文獻數(shù)量越多。節(jié)點之間的連線表示機構(gòu)之間的合作關(guān)系，連線的粗細與機構(gòu)之間的合作次數(shù)成正比，連線的顏色代表機構(gòu)之間首次合作的時間。

由圖1可以看出，在石墨烯研究領(lǐng)域，機構(gòu)分布比較廣泛，機構(gòu)之間的合作關(guān)系比較緊密。統(tǒng)計數(shù)據(jù)（表1）表明，發(fā)文量最多的科研機構(gòu)為中國科學(xué)院（383篇），新加坡國立大學(xué)（199篇）和中國船舶重工集團（160篇）分別位于二、三名，俄羅斯科學(xué)院（149篇）和新加坡南洋理工大學(xué)（139篇）分列其后。其他發(fā)文量較多的科研機構(gòu)分別為清華大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、德克薩斯州奧斯丁大學(xué)、南京大學(xué)、東北大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、北京大學(xué)。排名前十二位的科研機構(gòu)中，中國有六個，表明中國比較重視石墨烯相關(guān)研究，在石墨烯領(lǐng)域投入比較大。與中國相比，美國的發(fā)文總量雖然超過中國，但研究機構(gòu)比較分散，單個研究機構(gòu)的平均發(fā)文量并不多。

2.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜分析——石墨烯領(lǐng)域的研究熱點和前沿

將收集到的數(shù)據(jù)源導(dǎo)入軟件CiteSpaceⅡ中，節(jié)點設(shè)為關(guān)鍵詞（Keyword），設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝担晥D選定為時間線（Time Line），運行后得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)時間線知識圖譜（圖2）。圖2中每個節(jié)點代表關(guān)鍵詞，節(jié)點大小和關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次成正比，即節(jié)點越大，該節(jié)點對應(yīng)的關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次越多。圍繞節(jié)點的不同顏色的圓環(huán)代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間序列，即每個顏色的圓環(huán)與出現(xiàn)該關(guān)鍵詞的一個年份相對應(yīng)。從橫向來看，每一個聚類的節(jié)點按時間順序排列。相鄰聚類通常對應(yīng)相關(guān)主題，即聚類間共引，聚類之間的知識流向從冷色調(diào)到暖色調(diào)。

由表2可以看出，出現(xiàn)頻次最多的關(guān)鍵詞是石墨烯薄膜（films），表明在石墨烯研究領(lǐng)域，石墨烯薄膜的研究相對較多。石墨烯薄膜的電場效應(yīng)使其在電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，其電學(xué)特性是現(xiàn)有材料中最好的，可以用來制造平板顯示器所必需的超薄電極和晶體管。韓國在制備高質(zhì)量、大尺寸的石墨烯薄膜方面取得了重大突破。

頻次位于第二位的關(guān)鍵詞是碳納米管（carbon nanotubes），表明石墨烯在納米材料方面的應(yīng)用也是該領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。碳納米管及其和石墨烯的復(fù)合材料具有卓越的電子及機械特性，已經(jīng)在半導(dǎo)體器件、顯示器和能量轉(zhuǎn)換裝置等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛能。

排名第三的關(guān)鍵詞是石墨烯薄片（sheet）。純石墨烯薄片具有比石墨烯更優(yōu)異的化學(xué)和物理特性，但是無缺陷的石墨烯薄片的生產(chǎn)非常困難，因此它的制備方法一直是石墨烯領(lǐng)域的研究熱點。

從突顯性的角度分析，通過觀察關(guān)鍵詞的時間分布，根據(jù)詞頻的變動趨勢，確定石墨烯研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。CiteSpaceⅡ提供的膨脹詞探測技術(shù)可考察詞頻的時間分布，并將頻次變化率高的關(guān)鍵詞探測出來，揭示石墨烯領(lǐng)域的研究熱點。通過CiteSpaceⅡ?qū)С龅年P(guān)鍵詞graphene nanoribbons（石墨烯納米帶）的出現(xiàn)歷史折線圖，可以看出它是2010年出現(xiàn)的一個名詞短語，在以前文獻的關(guān)鍵詞中都沒有出現(xiàn)過，并且2010年出現(xiàn)的頻次達到90次，這表明石墨烯納米帶的研究將是未來石墨烯研究領(lǐng)域的一個發(fā)展趨勢。

2.3 文獻共被引知識圖譜分析——石墨烯研究領(lǐng)域代表人物和經(jīng)典文獻

將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CiteSpaceⅡ中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)定為被引文獻（Cited Reference），確定適當(dāng)?shù)拈撝担\行得到文獻共被引知識圖譜（圖3）。

圖中每個節(jié)點對應(yīng)一篇引文，節(jié)點的大小表示引文的共被引次數(shù)，即節(jié)點越大，其共被引次數(shù)越多，圍繞節(jié)點的不同顏色的圓環(huán)代表引文在不同年份的被引時間序列。根據(jù)陳超美博士定義，知識圖譜中的關(guān)鍵節(jié)點是指與兩個以上不同的聚類相連接，且被引頻次和中心度都相對較高的節(jié)點。通過分析文獻共被引知識圖譜中的關(guān)鍵節(jié)點（中心度大于0.1），可以找出石墨烯領(lǐng)域的代表人物和經(jīng)典文獻。石墨烯領(lǐng)域共被引圖譜中共有17個關(guān)鍵節(jié)點（見表2）。本文對表2中位于前三位的中心度和共被引頻次都相對較高的關(guān)鍵節(jié)點對應(yīng)的引文進行詳細的研讀和分析。

在石墨烯研究領(lǐng)域，Konstantin Novoselov做出了開創(chuàng)性的貢獻，他和Andre Geim于2004年在實驗室中發(fā)現(xiàn)了石墨烯，并由此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。運用CiteSpaceⅡ軟件所作的文獻共被引分析結(jié)果，進一步確認了這個事實。由表3可以看出，中心度排名第一位和第三位的節(jié)點的作者均為Konstantin Novoselov。

中心度排名第一的關(guān)鍵文獻是Konstantin Novoselov于 2005年發(fā)表的作品Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene（石墨烯中的無質(zhì)量狄拉克費米子二維氣體）。這一文獻的研究成果揭示了二維狄拉克費米子各種異常的現(xiàn)象特征，證實了石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)和獨特的載流子特性，為石墨烯在納米電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

Konstantin Novoselov 2004年發(fā)表的Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films（碳原子薄膜中的電場效應(yīng)）中心度排名第三。這篇文獻主要描述了單晶石墨薄膜的特性。作者在文中描述了它的電子特性并證實了其全金屬場效應(yīng)晶體管的特性，通過描述碳原子薄膜的電場效應(yīng)，為石墨薄膜在電子領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

WALLACE PR 1947年發(fā)表的The Band Theory of Graphite（石墨的能帶理論）一文的中心度位于第二。該文獻發(fā)表時間較早，在石墨烯研究領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的地位。這篇文章的主要內(nèi)容是通過研究固體的能帶理論，為石墨物理特性的解釋建立一個理論基礎(chǔ)，同時也為石墨烯在電子技術(shù)方面的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，是石墨烯研究領(lǐng)域的經(jīng)典文獻。

除上述經(jīng)典文獻外，由表3可以看出，STANKOVICH S 撰寫的Graphene-based composite materials，C.L. Kane撰寫的Size， Shape and Low Energy Electronic Structure of Carbon Nanotubes，R. Saito撰寫的Electronic structure of chiral graphene tubules和Teri Wang Odom撰寫的Single-walled carbon nanotube probes for high-resolution nanostructure imaging等文獻在石墨烯領(lǐng)域的知識演進中都占據(jù)了重要的位置，是該領(lǐng)域的重要知識基礎(chǔ)，為石墨烯領(lǐng)域的研究提供了重要的理論和技術(shù)支持。

4 結(jié)論

本文對從Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索到的9073條記錄進行了詳細的分析，得到以下結(jié)論：

1.文獻機構(gòu)分布圖譜分析表明，在石墨烯研究領(lǐng)域，機構(gòu)分布比較廣泛，機構(gòu)之間的合作關(guān)系比較緊密。發(fā)文量占據(jù)前五位的科研機構(gòu)為中國科學(xué)院、新加坡國立大學(xué)、中國船舶重工集團、俄羅斯科學(xué)院、新加坡南洋理工大學(xué)。排名前十二位的科研機構(gòu)中，中國有六個，表明中國比較重視石墨烯相關(guān)研究，在石墨烯領(lǐng)域投入比較大。與中國相比，美國的發(fā)文總量雖然超過中國，但研究機構(gòu)比較分散，單個研究機構(gòu)的平均發(fā)文量并不多。

2.關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜分析表明，石墨烯薄膜、碳納米管和石墨薄片是石墨烯領(lǐng)域的研究熱點。其中石墨烯薄膜的電場效應(yīng)使其在電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景；碳納米管及其和石墨烯的復(fù)合材料已經(jīng)在半導(dǎo)體器件、顯示器和能量轉(zhuǎn)換裝置等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛能。石墨烯納米帶成為石墨烯研究領(lǐng)域的一個有極大發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颉?/p>

3.文獻共被引知識圖譜分析表明，石墨烯研究領(lǐng)域的重要代表人物有NOVOSELOV KS，WALLACE PR，KANE CL，SAITO R，ODOM TW等。Konstantin Novoselov2005年發(fā)表的作品Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene（石墨烯中的無質(zhì)量狄拉克費米子二維氣體）等文獻均已成為石墨烯研究領(lǐng)域的經(jīng)典文獻，是該領(lǐng)域的重要知識基礎(chǔ)。

參考文獻

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