國際石墨烯領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數據庫中石墨烯領域的文章題錄為數據來源，應用專業(yè)信息可視化軟件CiteSpaceⅡ，對國際石墨烯領域的文獻進行可視化分析，來探究該領域的研究熱點和發(fā)展趨勢、代表人物以及經典文獻等科學計量信息，以理清石墨烯領域的發(fā)展脈絡。

關鍵詞：石墨烯；CiteSpaceⅡ；知識圖譜；研究熱點；研究前沿

1 研究方法和數據來源

1.1 研究方法

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

1.2 數據來源

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

2 分析與結果

2.1 研究機構分布圖譜分析——石墨烯領域研究機構分布

將收集的數據導入CiteSpaceⅡ中，網絡節(jié)點設定為機構（Institution），設置適當的閾值，運行CiteSpaceⅡ后得到石墨烯領域研究文獻的機構分布圖譜（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，環(huán)繞節(jié)點的不同顏色的圓環(huán)代表該機構發(fā)表文獻的時間序列，即每個顏色的圓環(huán)與該機構發(fā)表文獻的年份相對應。節(jié)點大小與該機構發(fā)表的文獻數量成正比，即節(jié)點越大，其發(fā)表的文獻數量越多。節(jié)點之間的連線表示機構之間的合作關系，連線的粗細與機構之間的合作次數成正比，連線的顏色代表機構之間首次合作的時間。

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

2.2 關鍵詞共現(xiàn)知識圖譜分析——石墨烯領域的研究熱點和前沿

將收集到的數據源導入軟件CiteSpaceⅡ中，節(jié)點設為關鍵詞（Keyword），設置適當的閾值，視圖選定為時間線（Time Line），運行后得到關鍵詞共現(xiàn)時間線知識圖譜（圖2）。圖2中每個節(jié)點代表關鍵詞，節(jié)點大小和關鍵詞出現(xiàn)的頻次成正比，即節(jié)點越大，該節(jié)點對應的關鍵詞出現(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)該關鍵詞的一個年份相對應。從橫向來看，每一個聚類的節(jié)點按時間順序排列。相鄰聚類通常對應相關主題，即聚類間共引，聚類之間的知識流向從冷色調到暖色調。

由表2可以看出，出現(xiàn)頻次最多的關鍵詞是石墨烯薄膜（films），表明在石墨烯研究領域，石墨烯薄膜的研究相對較多。石墨烯薄膜的電場效應使其在電子領域具有廣泛的應用前景，其電學特性是現(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鍵詞是碳納米管（carbon nanotubes），表明石墨烯在納米材料方面的應用也是該領域的重要研究內容。碳納米管及其和石墨烯的復合材料具有卓越的電子及機械特性，已經在半導體器件、顯示器和能量轉換裝置等領域顯示出巨大的應用潛能。

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

從突顯性的角度分析，通過觀察關鍵詞的時間分布，根據詞頻的變動趨勢，確定石墨烯研究領域的發(fā)展趨勢。CiteSpaceⅡ提供的膨脹詞探測技術可考察詞頻的時間分布，并將頻次變化率高的關鍵詞探測出來，揭示石墨烯領域的研究熱點。通過CiteSpaceⅡ導出的關鍵詞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——石墨烯研究領域代表人物和經典文獻

將收集的數據導入CiteSpaceⅡ中，網絡節(jié)點設定為被引文獻（Cited Reference），確定適當的閾值，運行得到文獻共被引知識圖譜（圖3）。

圖中每個節(jié)點對應一篇引文，節(jié)點的大小表示引文的共被引次數，即節(jié)點越大，其共被引次數越多，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。根據陳超美博士定義，知識圖譜中的關鍵節(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鍵節(jié)點（中心度大于0.1），可以找出石墨烯領域的代表人物和經典文獻。石墨烯領域共被引圖譜中共有17個關鍵節(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鍵節(jié)點對應的引文進行詳細的研讀和分析。

在石墨烯研究領域，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年諾貝爾物理學獎。運用CiteSpaceⅡ軟件所作的文獻共被引分析結果，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)異的電學性質和獨特的載流子特性，為石墨烯在納米電子器件領域的應用奠定了理論基礎。

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）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晶體管的特性，通過描述碳原子薄膜的電場效應，為石墨薄膜在電子領域的應用奠定了理論基礎。

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，在石墨烯研究領域占據舉足輕重的地位。這篇文章的主要內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，同時也為石墨烯在電子技術方面的應用奠定了理論基礎，是石墨烯研究領域的經典文獻。

除上述經典文獻外，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等文獻在石墨烯領域的知識演進中都占據了重要的位置，是該領域的重要知識基礎，為石墨烯領域的研究提供了重要的理論和技術支持。

4 結論

本文對從Web of Science數據庫中檢索到的9073條記錄進行了詳細的分析，得到以下結論：

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

2.關鍵詞共現(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域的研究熱點。其中石墨烯薄膜的電場效應使其在電子領域具有廣泛的應用前景；碳納米管及其和石墨烯的復合材料已經在半導體器件、顯示器和能量轉換裝置等領域顯示出巨大的應用潛能。石墨烯納米帶成為石墨烯研究領域的一個有極大發(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（石墨烯中的無質量狄拉克費米子二維氣體）等文獻均已成為石墨烯研究領域的經典文獻，是該領域的重要知識基礎。

參考文獻

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