基于CiteSpace的激光熒光材料發(fā)展綜述

王明恩,吳 荻,徐衛(wèi)平,張?zhí)A,張建龍,馬志豪

(貴州師范大學機械與電氣工程學院,貴州 貴陽 550025)

1 引 言

自20世紀60年代誕生LED以來,固態(tài)照明(SSL)引起了人們的極大興趣。但LED在高功率密度下,效率下降是亟待解決的問題,作為LED的替代者,激光照明是一種可能的解決方案。理論上激光照明可以在更高的電流密度下實現(xiàn)高效率,因為當電流達到閾值之后,俄歇復合不再增長,當電流達到閾值后,激光照明的電光轉(zhuǎn)換效率隨著輸入功率密度的增加而不斷提高。激光照明具有節(jié)能、低污染、高效率等優(yōu)點,可應用在激光投影儀、汽車大燈、高亮度照明等領域。隨著激光照明的發(fā)展,學術界對激光照明的關注度不斷提高,研究成果不斷積累,據(jù)此一些學者針對激光照明研究所取得的成果做了回顧和展望[1-7]。上述研究雖然為促進激光熒光材料的研究奠定了基礎,但無法從整體角度對其研究成果進行梳理,也無法發(fā)現(xiàn)研究內(nèi)容之間的知識脈絡關系。

因此,本文基于Web Of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫中2015-2021年的文獻數(shù)據(jù),通過CiteSpace對熒光薄膜、PiG、熒光陶瓷和玻璃陶瓷等激光熒光材料進行文獻計量與知識圖譜分析,直觀反映激光熒光材料的研究現(xiàn)狀及熱點,為后續(xù)研究提供依據(jù)。

2 研究來源與研究方法

科學計量分析是處理數(shù)據(jù)和信息可視化的有效方法,可用于檢測研究前沿、研究熱點以及跟蹤某一領域的重大變化[8]。為了避免主觀性,科學計量分析基于文獻數(shù)據(jù)庫中的大量文獻進行可視化分析,該方法被視為了解研究主題、總結發(fā)展路徑和預測未來趨勢的流行工具。

本文研究的數(shù)據(jù)來源于WOS核心合集數(shù)據(jù)庫,以“l(fā)aser”為主題詞,“phosphor、phosphor in glass、phosphor ceramics、phosphor film、glass ceramics、transparent ceramics”為摘要詞進行檢索,搜索日期截止到2021年9月5日,對數(shù)據(jù)進行整理后共得到2715條數(shù)據(jù),檢索到的文獻在2015-2021年之間。如表1所示,該表為不同摘要詞所對應的數(shù)據(jù)數(shù)量。并以此為研究對象。

本文研究方法是對2715條數(shù)據(jù)進行文獻計量分析,借助CiteSpace軟件對數(shù)據(jù)進行知識圖譜分析,文獻計量主要對每年發(fā)表的文獻數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,運用知識圖譜分析法分別對關鍵詞、作者、機構及發(fā)文期刊等進行脈絡梳理,并以此為研究對象,繪制關鍵詞、作者、機構及發(fā)文期刊分布圖和頻次表,以可視化手段直觀地反應激光熒光材料不同研究間的內(nèi)在聯(lián)系。

3 結果與討論

對2715條數(shù)據(jù)進行篩選,剔除與激光熒光材料無關的數(shù)據(jù),經(jīng)CiteSpace軟件的“Data Processing Utilities”進行數(shù)據(jù)處理,最后得到的數(shù)據(jù)為2034條。

3.1 發(fā)文量分析

在WOS核心合集數(shù)據(jù)庫中檢索到的數(shù)據(jù),在2015年突然出現(xiàn)235篇關于激光熒光材料的文獻,在2015-2018年間,文獻數(shù)量逐漸上升,直至2018、2019年文獻到達最高的324篇文獻。自2015-2021年間平均發(fā)文量為291篇。

圖1 文獻年度分布Fig.1 The annual distribution of literatures

3.2 研究熱點分析

3.2.1 關鍵詞共現(xiàn)分析

關鍵詞是對文章核心內(nèi)容的強調(diào)和突出[9]。采用CiteSpace.5.7.R5 軟件繪制了激光熒光材料的關鍵詞共視圖(如圖2 所示)。其中關鍵詞的頻次越高,關鍵詞所在的十字型節(jié)點的越大,各節(jié)點間的連線表示相關研究的關聯(lián)性。對關鍵詞進行梳理,“l(fā)uminescence”出現(xiàn)頻次高達422,關鍵詞出現(xiàn)頻次最低為2。根據(jù)齊普夫定律推導公式(1)(高低詞頻臨界值模型),可計算出領域內(nèi)的高低詞頻臨界值[10]:

(1)

其中，I1表示出現(xiàn)最低頻次的數(shù)量。

運用CiteSpace提取到的激光熒光材料的關鍵詞476個,其中詞頻為2的關鍵詞個數(shù)為46,由公式(1)計算的,K2≈9,即關鍵詞個數(shù)大于9的激光熒光材料領域的高頻關鍵詞有199個。如表2所示,選取詞頻位于前40位的高頻關鍵詞。在所有的高頻關鍵詞里,關于熒光材料的關鍵詞占比為20.1 %,包括“phosphor,nanocrystal,nanoparticle,transparent ceramics,ceramics,glass ceramics,ceramic phosphor,YAG”等關鍵詞,其中玻璃陶瓷、透明陶瓷以及納米晶體詞頻較高；關于稀土離子的關鍵詞占比為10.5 %,包括“Er,Yb,Eu,Dy,Ho”等離子,其中,添加稀土離子在改變熒光材料的發(fā)光特性上具有極其重要的作用。

圖2 關鍵詞共視圖Fig.2 Keywords co-occurrence network map

表2 詞頻位于前40位的高頻關鍵詞表Tab.2 The list of high-frequency keywords with word frequencies in the top 40

3.2.2 突顯關鍵詞與年度熱詞

凸顯詞指在較短時間內(nèi)出現(xiàn)較多或使用頻率較高的詞,根據(jù)當前統(tǒng)計的凸顯詞的詞頻變化可以判斷研究領域的前沿與趨勢[11]?；贑iteSpace的凸顯詞分析,得到激光熒光材料凸顯主題及對應的凸顯率(如圖3所示)?！皁ptical material、stability、emitting phosphor、Mn4+、system、thermal stability、ytterbium、remote phosphor、solid-state laser、robust、laser lighting、single crystal phosphor”等25個凸顯詞是激光熒光材料研究的熱點,其中凸顯強度最高的是optical material明顯高于其他凸顯詞,出現(xiàn)年份也最早。出現(xiàn)在2019-2021年的有“stability、emitting phosphor、Mn4+、thermal stability、remote phosphor、solid-state laser、robust、laser lighting、single crystal phosphor”,出現(xiàn)在2018-2019年的有“CaF2、optical spectroscopy、persistent luminescence、up conversion emission、oxyfluoride gla”,這在一定程度上說明,目前激光熒光材料研究前沿主要體現(xiàn)在optical material、stability、emitting phosphor、Mn4+、thermal stability、remote phosphor、solid-state laser、robust、laser lighting、single crystal phosphor等主題。

圖3 關鍵詞凸顯率Fig.3 The prominence rate of keywords

對激光熒光材料領域的476個關鍵詞進行篩選,通過年份計數(shù)法將本年關鍵詞強度等于4的關鍵詞進行歸類統(tǒng)計,將其歸納到關鍵詞強度的出現(xiàn)年份,得到激光熒光材料領域的年度熱詞歸納表,如表3所示。

表3 激光熒光材料領域年度熱詞Tab.3 Buzzwords of the year in the field of laser phosphors

由表3可知,在2015年,學者們對納米晶、顆粒以及稀土離子的研究程度較強,在2016年出現(xiàn)氟化物、制備方法以及拉曼光譜,直至2018年出現(xiàn)碲酸鹽玻璃以及2020年出現(xiàn)的鎂鋁尖晶石,2021年又出現(xiàn)了陽離子取代和藍色熒光粉。由此表明,對于激光熒光材料的研究趨向微觀化和多方向化,而激光照明在激光大燈[12-14]、激光電視[15-20]、醫(yī)療[21-22]等方面的應用也將會促進激光熒光材料的不斷發(fā)展。

3.2.3 關鍵詞聚類分析

激光熒光材料領域的相關研究與應用,造成該領域以激光照明為核心的相關研究日益多元化,不僅研究的內(nèi)容繁多,而且比較分散。因此,本文對476個關鍵詞進行聚類分析,并根據(jù)各聚類關鍵詞的組成,總結出各聚類的名稱與研究內(nèi)容,以梳理激光熒光材料研究的整體框架,探究目前激光照明相關研究的主要領域,使相關研究更加體系化,也為預測未來激光熒光材料熱門研究奠定基礎。本文采用UltraEdit 對關鍵詞去重,然后通過CiteSpace軟件對關鍵詞進行聚類分析,閾值選擇為2,最終生成8個聚類(表4)。

表4 關鍵詞聚類Tab.4 Keyword clustering

由表2可知,8個聚類由不同的研究內(nèi)容組成,代表8種不同研究方向,即目前激光熒光材料的相關研究主要集中在pulsed laser deposition、transparent ceramics、upconversion、laser lighting、phosphor thermometry、luminescence property、preparation和crystallization的8個領域。

3.3 發(fā)文作者分析

在CiteSpace中,通過文獻計量分析發(fā)文作者,可以尋找某個領域內(nèi)的核心作者,進而發(fā)現(xiàn)研究該領域的中堅力量,為研究人員提供研究方向的依據(jù)。核心作者是在某個領域內(nèi),發(fā)文量較多且有較大影響力的研究人員。本文依據(jù)普賴斯公式進行統(tǒng)計分析[11]:

(2)

式中,M為核心作者發(fā)文量的臨界值;Nmax為在統(tǒng)計年限內(nèi)發(fā)文量最多的作者的發(fā)文數(shù)量,經(jīng)統(tǒng)計,Nmax≈ 61,將Nmax帶入式(2)中,得到M=6,即發(fā)文量為6及以上的作者為激光熒光材料領域的核心作者。據(jù)統(tǒng)計結果顯示,發(fā)文作者共有410人,核心作者有91人,約占總人數(shù)的21.7 %,總發(fā)文量為1008篇,約占總發(fā)文量的49.6 %,符合普賴斯理論中“核心作者發(fā)文數(shù)量占總發(fā)文數(shù)量50 %”的觀點[23]。

圖4為發(fā)文作者分布圖,由圖6左上角的信息顯示:N=410,E= 684,Density = 0.0082。其中,N為節(jié)點數(shù),表示此種參數(shù)組合下提取的作者數(shù)量；E為連線數(shù),表示不同作者間的合作程度；Density 表示網(wǎng)絡密度[24]。

圖4 發(fā)文作者分布圖Fig.4 Distribution of authors

圖4中的連線數(shù)大于節(jié)點數(shù),說明在激光熒光材料研究中,作者間的聯(lián)系較多,密度較高。其中,存在少數(shù)的單點,說明有少數(shù)學者處于獨立研究狀態(tài)；還有6個較大的合作研究網(wǎng)絡群,以李江、邱建榮、解榮軍、潘裕柏等作者為中心點的合作研究網(wǎng)絡最為緊密,且處于同一個網(wǎng)格之中,且在該網(wǎng)絡中有高達47位核心作者,占核心作者總人數(shù)的51.6 %,有可能是實驗室間相互合作或者同門之間的相互合作。發(fā)文量最多的核心作者是中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李江,發(fā)文61篇,其次是浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室的教授邱建榮發(fā)文33篇,還有廈門大學教授解榮軍、上海硅酸鹽研究所研究員潘裕柏、印度理工學院應用物理系激光和光譜實驗室的Vineet Kumar Rai、南非自由州大學物理系的Swart,Hendrik C等作者為發(fā)文量在20篇以上核心作者。

3.4 發(fā)文機構分析

通過CiteSpace軟件對發(fā)文作者的所屬機構進行分析,發(fā)現(xiàn)本次研究的作者分布在333個機構中,其中,發(fā)文量最多的機構是中國科學院,一共發(fā)文227篇,其次是中國科學院大學發(fā)文94篇、俄羅斯科學院發(fā)文61篇、華南理工大學發(fā)文49篇、江蘇師范大學發(fā)文48篇、浙江大學發(fā)文37篇、南非自由州大學發(fā)文36篇、江蘇大學發(fā)文34篇、上海交通大學自然科學研究院發(fā)文32篇、武漢理工大學發(fā)文31篇、長春科技大學及廈門大學分別發(fā)文30篇。

中心度和頻次是判斷某個研究領域的研究熱度的標準,如圖5所示,節(jié)點半徑越大,中心度越高,說明處于該研究領域的核心地位的程度越高,影響力越強。中心頻度大于 0.1 的機構,普遍被認為其在該研究領域的影響力較大[25]。中心度超過0.1的機構有Chinese Acad Sci、Univ Free State、Jiangsu Univ、Russian Acad Sci、Natl Inst Laser Plasma & Radiat Phys、Natl Taiwan Univ、Osaka Univ、NAS Ukraine,如表5所示,其中以中國科學院的發(fā)文數(shù)量以及中心度最高,在激光熒光材料領域的影響也是最大的。

圖5 機構分布圖Fig.5 Mechanism distribution diagram

表5 中心度大于0.1的機構Tab.5 A mechanism with a centrality greater than 0.1

3.5 發(fā)文期刊分析

對刊發(fā)學術文獻的期刊進行分析,有助于了解該研究領域的核心期刊群,為學者選擇文獻發(fā)表平臺、搜索資料提供指導[26]。本文對篩選出來的2034條文獻數(shù)據(jù)進行分析,共有382種刊物。將分析的期刊刊載量按遞減順序排列,根據(jù)布拉德福定律,可把該領域的期刊分為核心區(qū)期刊、相關區(qū)期刊和非相關區(qū)期刊 3種類型[27]。其計算公式如下:

r0=2ln(eE×Y)

(3)

式中,r0為核心區(qū)期刊;E為歐拉系數(shù)(E= 0.5772);Y為當前研究數(shù)據(jù)中最大載文量期刊的載文量。本次研究數(shù)據(jù)中,Y=149,計算得到r0≈ 11,即處于核心地位的期刊為11種,占總期刊數(shù)的7.3 %。其中,載文量最多的期刊是JOURNAL OF LUMINESCENCE,載文量為149。表6中是目前刊載激光熒光材料研究成果的主要期刊,反映出這些期刊的辦刊宗旨及對刊發(fā)激光熒光材料研究成果的傾向。由表6可知核心區(qū)的出版物共刊文816 篇,占發(fā)文總量的40.1 %,已經(jīng)超過布拉福德定律中,核心區(qū)期刊載文量需占總刊文量 1/3 的要求,說明激光熒光材料領域的研究成果分布集中,已經(jīng)形成大規(guī)模的主流核心區(qū)期刊。

表6 核心期刊表Tab.6 List of core journals

4 熒光材料分析

在激光照明中,對熒光薄膜、熒光玻璃、熒光陶瓷(包括透明陶瓷)和玻璃陶瓷性能評估,如表7所示。熒光陶瓷和玻璃陶瓷的導熱性能和飽和閾值遠比熒光薄膜、熒光玻璃要高,但相對于成本卻相反。同時在制備過程中,熒光陶瓷與玻璃陶瓷制備工藝復雜,通過高溫燒結制備,而熒光玻璃制備工藝相對簡單,燒結溫度較低,薄膜制備工藝較為簡單,燒結溫度更低。

表7 熒光薄膜、PiG、熒光陶瓷和玻璃陶瓷性能評估Tab.7 Evaluation of phosphor film,PiG,ceramic phosphor and glass-ceramic

熒光玻璃是熒光粉與玻璃的簡單混合物,比其他熒光轉(zhuǎn)換材料更容易制備。同時在玻璃基體中可以混入包括氧化物、氟化物、硫化物、氮化物、氧氟化物、氧硫化物和氧氮化物等化合物,但熒光粉需要避免在燒結過程中的熱分解,因此商用熒光粉,如釔鋁石榴石系熒光粉,CASN∶Eu2+熒光粉和β-SiAlON∶Eu2+熒光粉,由于熱穩(wěn)定性高而被廣泛應用。合成了以硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、重金屬氧化物、碲酸鹽和氟氧化物為基質(zhì)的各種玻璃基體。熒光薄膜通常選用高導熱材料作為襯底,在襯底上燒結熒光薄膜。一般的,在透射模式下,高導熱襯底具有一定透射率；而在反射模式下,高導熱襯底上與熒光薄膜燒結的一面必須具有較強的反射性。高導熱襯底極大的提高了薄膜承受的激光激發(fā)功率,所以在散熱能力上,熒光薄膜與襯底結合體要比熒光玻璃效果好。對于熒光薄膜和熒光玻璃,散熱一直是一個顯著的問題,熒光薄膜是通過改善基底的熱導性來提高散熱,而熒光玻璃則是通過對玻璃基體摻雜SiO2、Al2O3等化合物進行散熱。

而熒光陶瓷與熒光晶體本身具有良好的熱導率和機械強度,但玻璃陶瓷與前兩者相比,在熱導率和機械強度方面稍差一點,而且熒光陶瓷和熒光晶體與其他三種熒光轉(zhuǎn)換材料相比,熱導率最佳,但其制備工藝與其他三者相比也較為復雜,不利于大規(guī)模生產(chǎn)。玻璃陶瓷則結合了玻璃的高透光率、陶瓷的熱穩(wěn)定性和良好化學穩(wěn)定性。在熱導率和熱穩(wěn)定性方面,比PiG要好。玻璃陶瓷的制備方法主要有成核生長法[29]、共燒法等。復合玻璃陶瓷中可以有多個發(fā)光中心,能很好地改善產(chǎn)生暖白光的色度。

激光照明以節(jié)能、低污染、高效率等優(yōu)點成為當前研究的熱點,熒光薄膜、PiG、熒光陶瓷、玻璃陶瓷、熒光晶體,被認為是激光照明應用的候選熒光轉(zhuǎn)換材料。熒光薄膜在實驗過程中,主要存在三個問題:(a)由于在高溫燒結過程中,薄膜的膨脹收縮不一致,使得熒光薄膜出現(xiàn)裂紋；(b)如何把控薄膜厚度與發(fā)射光的匹配問題,薄膜的厚度直接影響透光率；(c)薄膜與襯底之間在燒結時,存在一定的缺陷。熒光玻璃在制備過程中,將熒光粉與玻璃基體混合燒結,容易發(fā)生化合反應,影響發(fā)光性能；其次,熒光玻璃中熒光粉含量少,使得發(fā)光中心減少,直接降低了PiG的光轉(zhuǎn)換效率。熒光陶瓷的單一發(fā)光色、制備過程中的缺陷和孔隙率高,一直阻礙熒光陶瓷發(fā)光性能的提高。在摻雜其他的熒光陶瓷粉制備時,往往會產(chǎn)生熒光粉的化學反應問題,仍未得到很好的改善；對于熒光陶瓷中的孔隙率的控制,將會直接影響熒光陶瓷的發(fā)光性能,適當?shù)目紫堵蕦晒馓沾墒怯欣摹２Ａ沾稍诟邷厝廴谶^程中,熒光相容易被玻璃相侵蝕。對于燒結玻璃陶瓷,它可以同時克服PiG的不均勻分散和析晶玻璃陶瓷的高溫固相反應。熒光晶體的生長耗時長,工藝要求比較高,批量生長出大尺寸高質(zhì)量的熒光晶體也十分困難。其次,提拉法生長的單晶存在分凝現(xiàn)象[29-30],導致稀土離子在晶體中的濃度分布不均勻。

5 結束語

本研究的分析樣本來源于Web Of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)庫中2015-2021年2034條文獻數(shù)據(jù),改變了以前傳統(tǒng)的定性分析以及描述統(tǒng)計,通過文獻計量與知識圖譜分析的方法,揭示了激光熒光材料研究的多維結構和網(wǎng)絡關系。主要得出以下結論:

(1)文獻外部特征

首先,近五年內(nèi)激光熒光材料文獻數(shù)量較為穩(wěn)定,年均發(fā)文量為291篇,自2015年至2018年,文獻數(shù)量的上升趨勢明顯,在2020年,文獻數(shù)量有所下降,但文獻數(shù)量仍在300篇以上,就目前影響因素來看,2020年爆發(fā)的新冠肺炎疫情可能是導致文獻數(shù)量下降的重要因素。其次,激光熒光材料領域出現(xiàn)了比較多的合作網(wǎng)絡,其中以李江、邱建榮、解榮軍、潘裕柏等作者為中心點的合作研究網(wǎng)絡最為緊密,該網(wǎng)絡的核心作者數(shù)量占核心作者總人數(shù)的51.6 %,由此可以看出,在激光照明領域的研究,國內(nèi)學者之間高度緊密,并且該合作網(wǎng)絡在領域內(nèi)的貢獻較為突出。激光熒光材料領域發(fā)文數(shù)量最高的三個機構分別是中國科學院、中國科學院大學、俄羅斯科學院,并且,這三個機構同屬一個合作網(wǎng)絡,各研究機構間存在一定的國際合作；另外是南非自由州大學以為首合作網(wǎng)絡,其中南非自由州大學發(fā)文36篇,位列第七名,但其規(guī)模較小。在期刊方面,JOURNAL OF LUMINESCENCE、CERAMICS INTERNATIONAL、JOURNAL OF 激光熒光材料領域的研究成果集中,已經(jīng)形成大規(guī)模的核心期刊。

(2)領域研究熱點

通過對激光熒光材料領域關鍵詞共現(xiàn)、年度熱詞及突現(xiàn)詞的分析,領域內(nèi)的熱點研究主要圍繞著“稀土離子”、 “上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料”、 “納米晶”等方面展開,激光照明現(xiàn)如今處于大發(fā)展時期,但其研究與應用還處于初級階段,如何將其產(chǎn)品量化生產(chǎn)并廣泛應用,是實現(xiàn)激光照明的高速發(fā)展并從理論走向應用的研究重點。同時,計量分析結果表明,當前激光熒光材料領域的研究可以歸納為八個核心研究主題:pulsed laser deposition、transparent ceramics、upconversion、laser lighting、phosphor thermometry、luminescence property、preparation、crystallization。

(3)對激光熒光材料進行分析對比,以檢索詞中的熒光薄膜、熒光玻璃、熒光陶瓷、玻璃陶瓷和熒光晶體為分析對象,在散熱、制備、經(jīng)濟性等方面進行闡述,在這五種材料中,熒光陶瓷和熒光晶體散熱性最好,而玻璃陶瓷兼容了玻璃與陶瓷的性能,散熱性和機械強度稍遜于熒光陶瓷和熒光晶體,但比熒光薄膜和熒光玻璃要強。

對于熒光轉(zhuǎn)換材料本身,提高熱導率依然是面臨的嚴峻的問題；在制備時,降低熒光轉(zhuǎn)換材料的燒結溫度直接影響制造成本；在制備過程中,局部的微觀結構中化學反應和表面粗糙度、熒光轉(zhuǎn)換材料的厚度,直接影響其光轉(zhuǎn)化效率。顯色指數(shù)低,如石榴石系熒光材料,缺少紅色成分而使得該系熒光材料顯色指數(shù)普遍較低,而現(xiàn)在的紅色熒光轉(zhuǎn)換材料非常有限,其性能也有待提高。其次,加強對透射式熒光材料的研究,由于反射式封裝體積大、結構復雜難以滿足市場,而透射式則更加簡便,發(fā)展?jié)摿O大。

在未來,激光照明將是照明市場的領導者,在市政照明,汽車大燈等諸多領域,市場潛力巨大。目前,熒光材料無論是在制備方法還是制備所需的原料方面都面臨著巨大挑戰(zhàn),這兩方面將直接影響熒光材料的發(fā)光性能。