国际石墨烯领域研究前沿和热点的可视化分析

摘 要：本文以Web of Science数据库中石墨烯领域的文章题录为数据来源，应用专业信息可视化软件CiteSpaceⅡ，对国际石墨烯领域的文献进行可视化分析，来探究该领域的研究热点和发展趋势、代表人物以及经典文献等科学计量信息，以理清石墨烯领域的发展脉络。

关键词：石墨烯；CiteSpaceⅡ；知识图谱；研究热点；研究前沿

1 研究方法和数据来源

1.1 研究方法

本文以科学计量学的可视化分析工具——科学知识图谱为主要研究方法，应用由美国德雷赛尔大学信息科学与技术学院陈超美博士开发的信息可视化分析软件CiteSpaceⅡ，对Web of Science 中石墨烯领域的研究文献进行可视化分析，分析该领域的知识演进过程、地域和机构分布、以及热点和趋势。

1.2 数据来源

本文以Web of Science数据库中石墨烯领域的研究文献题录为数据来源。在进行数据检索时，以“graphene”作为主题词，文献类型设定为“article”，检索年限选择为1986年至2015年，对数据库进行高级检索，检索式为“TS=（ grapheme*）”，共检索到9073条记录。

2 分析与结果

2.1 研究机构分布图谱分析——石墨烯领域研究机构分布

将收集的数据导入CiteSpaceⅡ中，网络节点设定为机构（Institution），设置适当的阈值，运行CiteSpaceⅡ后得到石墨烯领域研究文献的机构分布图谱（图1）。

图1所示的图谱由366个节点和161条连线组成。图中每个节点代表一个科研机构，环绕节点的不同颜色的圆环代表该机构发表文献的时间序列，即每个颜色的圆环与该机构发表文献的年份相对应。节点大小与该机构发表的文献数量成正比，即节点越大，其发表的文献数量越多。节点之间的连线表示机构之间的合作关系，连线的粗细与机构之间的合作次数成正比，连线的颜色代表机构之间首次合作的时间。

由图1可以看出，在石墨烯研究领域，机构分布比较广泛，机构之间的合作关系比较紧密。统计数据（表1）表明，发文量最多的科研机构为中国科学院（383篇），新加坡国立大学（199篇）和中国船舶重工集团（160篇）分别位于二、三名，俄罗斯科学院（149篇）和新加坡南洋理工大学（139篇）分列其后。其他发文量较多的科研机构分别为清华大学、加利福尼亚大学伯克利分校、德克萨斯州奥斯丁大学、南京大学、东北大学、哥伦比亚大学、北京大学。排名前十二位的科研机构中，中国有六个，表明中国比较重视石墨烯相关研究，在石墨烯领域投入比较大。与中国相比，美国的发文总量虽然超过中国，但研究机构比较分散，单个研究机构的平均发文量并不多。

2.2 关键词共现知识图谱分析——石墨烯领域的研究热点和前沿

将收集到的数据源导入软件CiteSpaceⅡ中，节点设为关键词（Keyword），设置适当的阈值，视图选定为时间线（Time Line），运行后得到关键词共现时间线知识图谱（图2）。图2中每个节点代表关键词，节点大小和关键词出现的频次成正比，即节点越大，该节点对应的关键词出现的频次越多。围绕节点的不同颜色的圆环代表关键词出现的时间序列，即每个颜色的圆环与出现该关键词的一个年份相对应。从横向来看，每一个聚类的节点按时间顺序排列。相邻聚类通常对应相关主题，即聚类间共引，聚类之间的知识流向从冷色调到暖色调。

由表2可以看出，出现频次最多的关键词是石墨烯薄膜（films），表明在石墨烯研究领域，石墨烯薄膜的研究相对较多。石墨烯薄膜的电场效应使其在电子领域具有广泛的应用前景，其电学特性是现有材料中最好的，可以用来制造平板显示器所必需的超薄电极和晶体管。韩国在制备高质量、大尺寸的石墨烯薄膜方面取得了重大突破。

频次位于第二位的关键词是碳纳米管（carbon nanotubes），表明石墨烯在纳米材料方面的应用也是该领域的重要研究内容。碳纳米管及其和石墨烯的复合材料具有卓越的电子及机械特性，已经在半导体器件、显示器和能量转换装置等领域显示出巨大的应用潜能。

排名第三的关键词是石墨烯薄片（sheet）。纯石墨烯薄片具有比石墨烯更优异的化学和物理特性，但是无缺陷的石墨烯薄片的生产非常困难，因此它的制备方法一直是石墨烯领域的研究热点。

从突显性的角度分析，通过观察关键词的时间分布，根据词频的变动趋势，确定石墨烯研究领域的发展趋势。CiteSpaceⅡ提供的膨胀词探测技术可考察词频的时间分布，并将频次变化率高的关键词探测出来，揭示石墨烯领域的研究热点。通过CiteSpaceⅡ导出的关键词graphene nanoribbons（石墨烯纳米带）的出现历史折线图，可以看出它是2010年出现的一个名词短语，在以前文献的关键词中都没有出现过，并且2010年出现的频次达到90次，这表明石墨烯纳米带的研究将是未来石墨烯研究领域的一个发展趋势。

2.3 文献共被引知识图谱分析——石墨烯研究领域代表人物和经典文献

将收集的数据导入CiteSpaceⅡ中，网络节点设定为被引文献（Cited Reference），确定适当的阈值，运行得到文献共被引知识图谱（图3）。

图中每个节点对应一篇引文，节点的大小表示引文的共被引次数，即节点越大，其共被引次数越多，围绕节点的不同颜色的圆环代表引文在不同年份的被引時间序列。根据陈超美博士定义，知识图谱中的关键节点是指与两个以上不同的聚类相连接，且被引频次和中心度都相对较高的节点。通过分析文献共被引知识图谱中的关键节点（中心度大于0.1），可以找出石墨烯领域的代表人物和经典文献。石墨烯领域共被引图谱中共有17个关键节点（见表2）。本文对表2中位于前三位的中心度和共被引频次都相对较高的关键节点对应的引文进行详细的研读和分析。

在石墨烯研究领域，Konstantin Novoselov做出了开创性的贡献，他和Andre Geim于2004年在实验室中发现了石墨烯，并由此获得2010年诺贝尔物理学奖。运用CiteSpaceⅡ软件所作的文献共被引分析结果，进一步确认了这个事实。由表3可以看出，中心度排名第一位和第三位的节点的作者均为Konstantin Novoselov。

中心度排名第一的关键文献是Konstantin Novoselov于 2005年发表的作品Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene（石墨烯中的无质量狄拉克费米子二维气体）。这一文献的研究成果揭示了二维狄拉克费米子各种异常的现象特征，证实了石墨烯优异的电学性质和独特的载流子特性，为石墨烯在纳米电子器件领域的应用奠定了理论基础。

Konstantin Novoselov 2004年发表的Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films（碳原子薄膜中的电场效应）中心度排名第三。这篇文献主要描述了单晶石墨薄膜的特性。作者在文中描述了它的电子特性并证实了其全金属场效应晶体管的特性，通过描述碳原子薄膜的电场效应，为石墨薄膜在电子领域的应用奠定了理论基础。

WALLACE PR 1947年发表的The Band Theory of Graphite（石墨的能带理论）一文的中心度位于第二。该文献发表时间较早，在石墨烯研究领域占据举足轻重的地位。这篇文章的主要内容是通过研究固体的能带理论，为石墨物理特性的解释建立一个理论基础，同时也为石墨烯在电子技术方面的应用奠定了理论基础，是石墨烯研究领域的经典文献。

除上述经典文献外，由表3可以看出，STANKOVICH S 撰写的Graphene-based composite materials，C.L. Kane撰写的Size， Shape and Low Energy Electronic Structure of Carbon Nanotubes，R. Saito撰写的Electronic structure of chiral graphene tubules和Teri Wang Odom撰写的Single-walled carbon nanotube probes for high-resolution nanostructure imaging等文献在石墨烯领域的知识演进中都占据了重要的位置，是该领域的重要知识基础，为石墨烯领域的研究提供了重要的理论和技术支持。

4 结论

本文对从Web of Science数据库中检索到的9073条记录进行了详细的分析，得到以下结论：

1.文献机构分布图谱分析表明，在石墨烯研究领域，机构分布比较广泛，机构之间的合作关系比较紧密。发文量占据前五位的科研机构为中国科学院、新加坡国立大学、中国船舶重工集团、俄罗斯科学院、新加坡南洋理工大学。排名前十二位的科研机构中，中国有六个，表明中国比较重视石墨烯相关研究，在石墨烯领域投入比较大。与中国相比，美国的发文总量虽然超过中国，但研究机构比较分散，单个研究机构的平均发文量并不多。

2.关键词共现知识图谱分析表明，石墨烯薄膜、碳纳米管和石墨薄片是石墨烯领域的研究热点。其中石墨烯薄膜的电场效应使其在电子领域具有广泛的应用前景；碳纳米管及其和石墨烯的复合材料已经在半导体器件、显示器和能量转换装置等领域显示出巨大的应用潜能。石墨烯纳米带成为石墨烯研究领域的一个有极大发展潜力的研究方向。

3.文献共被引知识图谱分析表明，石墨烯研究领域的重要代表人物有NOVOSELOV KS，WALLACE PR，KANE CL，SAITO R，ODOM TW等。Konstantin Novoselov2005年发表的作品Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene（石墨烯中的无质量狄拉克费米子二维气体）等文献均已成为石墨烯研究领域的经典文献，是该领域的重要知识基础。

参考文献

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