張曉陽 曹 曼

(江蘇大學科技信息研究所 鎮(zhèn)江 212013)

2000-2011年國際納米電子學領域動態(tài)圖譜分析*

張曉陽 曹 曼

(江蘇大學科技信息研究所 鎮(zhèn)江 212013)

以SCI-Expanded數(shù)據(jù)庫為來源，對國際納米電子學領域2000-2011年間研究論文的時間分布情況作出分析，同時采用靜態(tài)圖譜和動態(tài)圖譜相結合的可視化方式，歸納總結該領域的主要研究方向，并對每個研究方向中的研究熱點趨勢變化逐一進行分析，得到當前階段的“研究熱點主題”、“逐漸過時的主題”和“快速發(fā)展的主題”，據(jù)此提出相關建議。

納米電子學 時間分布 研究趨勢 靜態(tài)圖譜 動態(tài)圖譜 可視化

1 引言

《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》將納米研究部署為4項重大科研規(guī)劃之一，并提出要重點研究納米電子技術[1]。中國科學院在《中國至2050年納米科技發(fā)展路線圖》中提出納米電子學是2020年左右能實現(xiàn)或能夠產(chǎn)生重大影響的納米科技之一[2]。全面深刻了解該領域發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢對于科技管理、科研選題和國際合作具有重要意義。目前研究科學技術發(fā)展趨勢的方法主要有以下幾種：專家調(diào)查法、德爾菲法、情景分析法[3]，以及技術路線圖[4]等。上述研究方法程序相對固定，可操作性強，但主要依賴專家的知識和經(jīng)驗，耗時耗力，需付出較高的成本；近年來興起的知識圖譜方法，在一定程度上能夠識別當前技術領域的研究熱點，為揭示學科和技術演化帶來便利，但主要對技術領域進行靜態(tài)圖譜的繪制與分析，不利于觀測研究熱點的連續(xù)變化趨勢，難以對科學技術研究趨勢進行有效的預測。本文以預測納米電子學領域未來發(fā)展趨勢為目的，利用知識圖譜可視化工具，以固定時長隨時間逐步推移為窗口，繪制動態(tài)知識圖譜，連續(xù)觀察其研究熱點變化趨勢，形成一套新的技術情報監(jiān)測方法。

2 樣本與方法

以SCI-Expanded數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，檢索策略為：“(主題=(Nanoelectronic*)OR (Nano-electronic*)OR(Nano electronic*))AND 文獻類型=(Article)”，時間確定為2000-2011年，經(jīng)檢索和清洗，最終得到4 946條論文記錄。運用科學計量學的方法及CiteSpace II可視化工具，對納米電子學領域的學術論文進行時間分布及研究熱點趨勢的分析。

3 結果與分析

3.1 時間分布

從文獻出版數(shù)量分布情況來看(見圖1)，隨著時間的推移，文獻數(shù)量呈逐年增長趨勢；從文獻數(shù)量年增長率來看，年均增長率為21.16%，2002年增長率達到最高，為60.19%。從文獻引文數(shù)量上看(見圖2)，引文量也毫無懸念地逐年上升，從2009年始年引文量均突破一萬次；年增長率2001年達到最高點，為587.18%；年均引文增長率為96.72%，引文量幾乎每年翻一番。可見納米電子學領域的研究還處于快速上升期，尚未出現(xiàn)成熟前的“拐點”。

圖1 文獻出版數(shù)量及年增長率時間序列圖

圖2 引文數(shù)量及年增長率時間序列圖

3.2 研究熱點靜態(tài)圖譜

為了清晰展示和準確分析納米電子學領域研究論文的研究熱點，本文利用CiteSpaceⅡ軟件，生成關鍵詞共現(xiàn)圖譜。在關鍵詞共現(xiàn)圖譜中，節(jié)點的中心性是一個用以量化節(jié)點在網(wǎng)絡中地位重要性的圖論概念，中心性越大，表明該節(jié)點在網(wǎng)絡中越為重要[5]。圖3顯示了國際納米電子學領域2000-2011年12年間論文的研究熱點總圖譜，節(jié)點標簽字體大小與節(jié)點中心性大小成正比例顯示，即：字體越大節(jié)點中心性越大。利用詞頻分析法和共詞分析法，分析納米電子學領域研究論文的研究熱點。圖中共呈現(xiàn)出22個關鍵節(jié)點，即研究熱點關鍵詞，其中心性均不小于0.05，見表1(序號1-22)。

3.3 研究熱點動態(tài)圖譜

圖3為靜態(tài)圖譜，只能反映12年間研究熱點的總體情況，卻無從知曉每個研究熱點在這12年間的趨勢變化情況。此外，靜態(tài)圖譜只能展現(xiàn)一定的歷史信息，而社會的發(fā)展往往需要預知未來，譬如這些熱點中哪些能夠成為我國學者今后繼續(xù)關注的研究前沿？

圖3 納米電子學領域2000-2011年研究熱點靜態(tài)圖譜

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

(i) (j)

本文提出一種動態(tài)監(jiān)測方法，即以3年為時間窗，以1年為一個單位時間差依次向后推移，將2000-2011年12年劃分為10個時間段，得到隨著時間連續(xù)變化的研究熱點動態(tài)圖譜，見圖4(a-j)。在圖譜的繪制過程中，選擇“節(jié)點標簽的字體大小與節(jié)點中心性大小成正比例顯示”；為保證在分析動態(tài)圖譜中研究熱點詞的中心性隨時間變化情況時的準確性，所有圖譜的相關參數(shù)均做相同設置，如：Node Size：30，F(xiàn)ont Size：10，Threshold：8。相對靜態(tài)圖譜，動態(tài)圖譜在每個時間段均新增了許多熱點關鍵詞，筆者只選取每個時間段內(nèi)新增的具有代表性(中心性不小于0.05)的15個關鍵詞(見表1，序號23-37)。表1共37個關鍵詞中，nanoelectronics(序號2)在本研究中無實際意義，將不再對其做具體分析，其它36個關鍵詞將作為以下研究的數(shù)據(jù)源。

表1 納米電子學領域2000-2011年研究熱點關鍵詞

結合以上圖表并征求相關專家意見，納米電子學領域的研究基本上是圍繞納米電子學基礎理論、納米電子材料、納米電子器件和納米加工與制備四個研究方向而展開。歸納如下：

(1) 納米電子學基礎理論：nanotechnology、conductance、transport、nanostructures、surfaces、coulomb-blockade、electronic-structure、molecular electronics；

(2) 納米電子材料：nanowires、quantum dots、carbon nanotubes、nanotubes、silicon、monolayers、films、nanoparticles、nanowire building-blocks、silicon nanowires、single-wall、walled carbon nanotubes、gold nanoparticles；

(3) 納米電子器件：devices、nanoelectronic devices、circuits、transistors、single-electron transistor、field-effect transistors、mosfets、biosensors、logic、gate；

(4) 納米加工與制備：fabrication、arrays、spectroscopy、chemical-vapor-deposition、growth。

3.3.1 研究方向一：納米電子學基礎理論 納米電子學基礎理論主要為納米電子器件的設計、制備、集成及應用提供理論指導，是納米電子技術發(fā)展的理論基礎。從總體上看，近12年的研究熱點主要有：納米電子材料及器件的傳導性能、納米結構、載流子輸運理論、納米電子結構、表面效應、庫侖阻塞效應以及分子電子學，而這些又可以統(tǒng)稱為納米技術研究。從圖4中，可以非常直觀的看到各個熱點詞的出現(xiàn)、中心性增大或減小、消失的動態(tài)變化；為更加準確清楚說明各熱點詞的趨勢變化，進而統(tǒng)計了動態(tài)圖譜10個時間段中各熱點詞的中心性值變化情況，見圖5?？梢钥闯?，“庫侖阻塞效應”的研究類似“曇花一現(xiàn)”；“納米技術”呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢，這可能與專家學者們的研究方向逐漸趨于具體化和專業(yè)化，而在相關研究論文中越來越少提到這一相對上位概念有關?！皞鲗А薄ⅰ拜斶\”表現(xiàn)出由冷到熱的態(tài)勢；“納米結構”、“表面效應”及“分子電子學”三者則呈現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢。

圖5 納米電子學基礎理論研究熱點趨勢變化圖

3.3.2 研究方向二：納米電子材料 納米電子材料是研究納米電子技術的物質(zhì)基礎。從上述研究方向歸納中可以看出，近12年的研究熱點主要有：納米線(包括硅納米線、納米線構件)、納米管(包括碳納米管、單壁和多壁碳納米管)、納米粒子(包括金納米粒子)、量子點、硅、單原子/分子層、薄膜。統(tǒng)計動態(tài)圖譜中各熱點詞的中心性值變化情況，見圖6?？梢钥闯?，“納米線”呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，“納米粒子”的研究熱度在后期迅速提升；“納米管”則呈現(xiàn)出經(jīng)典的“M”形發(fā)展趨勢；“量子點”、“硅”、“薄膜”三者先迅速下降而后緩慢上升；“單原子/分子層”則在第2個時間段(圖5(b))中稍縱即逝。

圖6 納米電子材料研究熱點趨勢變化圖

3.3.3 研究方向三：納米電子器件 納米電子器件是未來構成納米集成電路的電子構件。近12年的研究熱點主要有：電路、晶體管(包括單電子晶體管、場效應晶體管、金屬氧化物半導體場效應晶體管)、生物傳感器、邏輯(電路)、柵(電極)。從圖7中可以看出，“電路”的中心性雖起伏波動較大，但除2000-2002年外其中心度始終大于0.1，一直處于較為重要的位置；“器件”呈階梯形增長趨勢，并在2008-2010年間達到最高點；“邏輯(電路)”、“柵(電極)”二者較為一致，均呈緩慢下降的趨勢?！熬w管”先下降后緩慢上升，可能與“單電子晶體管”在早期的研究迅速減少、而 “場效應晶體管”和“金屬氧化物半導體場效應晶體管”在后期的研究平穩(wěn)增多有關。“生物傳感器”作為納米電子學與生物學的結合體，以及其在生物醫(yī)學方面的廣泛應用前景，在近幾年得到了前所未有的關注。

圖7 納米電子材料研究熱點趨勢變化圖

3.3.4 研究方向四：納米加工與制備 納米加工與制備是實現(xiàn)納米電子器件加工和集成的技術路徑。近12年的研究熱點主要有：納米加工技術、納米材料或納米器件陣列、納米光刻技術(光譜)、化學氣相沉積方法、納米材料生長技術。納米加工與制備主要有兩種方法：“自上而下”與“自下而上”[6]。其中，納米光刻技術(如紫外光刻、電子束光刻)和納米材料生長技術(如薄膜生長)屬于“自上而下”的范疇；而利用“納米材料或器件陣列”(如碳納米管陣列)、化學氣相沉積方法進行加工，則屬于“自下而上”的范疇。從圖8中可以看出，“光譜”的研究主要集中在前幾年；“納米加工”、“陣列”、“化學氣相沉積方法”的研究熱度幾乎在同一時間達到最高點，之后均有所下降，“生長”的態(tài)勢較為平穩(wěn)，其中心性始終在0.1上下波動。

圖8 納米加工與制備的研究熱點趨勢變化圖

3.4 研究熱點趨勢分析

從縱向上看，國際納米電子學領域在不同時間段中，中心性最大的熱點關鍵詞處于不斷變化之中(見圖4(a-j))，依次為：quantum dots(2000-2002)，conductance(2001-2003、2002-2004)，nanotechnology、circuits(2003-2005)，nanotechnology(2004-2006)，fabrication(2005-2007、2006-2008、2007-2009)， devices(2008-2010)，nanowires(2009-2011)。從它們所屬的研究方向來看，2000-2011年間早期比較偏重基礎理論研究，而隨著時間的推移，研究的側(cè)重點逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米加工技術、納米電子器件和納米電子材料。這跟社會經(jīng)濟與技術的發(fā)展規(guī)律是相適應的。

從橫向上看，國際納米電子學領域的4個主要研究方向中，每個研究方向的研究熱點都有不同的發(fā)展趨勢。參照Erten等人的做法，將以上研究熱點的發(fā)展趨勢分為三類：研究熱點主題、逐漸過時的主題和快速發(fā)展的主題[7]，見表2?！把芯繜狳c主題”依然是目前階段研究熱點，需國家科研機構和相關學者持續(xù)關注與研究其相關技術；“逐漸過時的主題”經(jīng)歷了一個由熱到冷的發(fā)展階段，說明其技術已發(fā)展成熟或被其他技術所取代，已不再是目前的研究熱點，可不再繼續(xù)關注；“快速發(fā)展的主題”是目前和今后階段的研究熱點與前沿，能夠引領該領域的研究熱潮，需重點關注。

表2 研究熱點趨勢分析

4 結論與建議

本文提出一種動態(tài)觀測技術科學的研究方法，較好地展示了技術熱點演變過程，得到了相關電子領域?qū)＜业幕菊J可，對納米電子學研究趨勢的觀測結論如下：①納米電子學的研究論文無論年出版量還是年引文量均有繼續(xù)上升的態(tài)勢，說明了該領域的研究仍處于快速上升期，尚未出現(xiàn)成熟前的“拐點”，該領域研究具有很大的發(fā)展空間；②納米電子學領域主要研究方向有4個：納米電子學基礎理論、納米電子材料、納米電子器件和納米加工與制備。每個方向中研究熱點的發(fā)展趨勢又分為三類：研究熱點主題、逐漸過時的主題和快速發(fā)展的主題。

針對以上趨勢分析，對該學科研究建議如下：①加強納米電子學基礎理論的研究，它是一切納米電子技術發(fā)展的基石，特別是加強納米電子材料和器件中的載流子輸運理論與技術，納米電子材料導電、導熱等傳導性能及規(guī)律的研究；②緊密跟蹤納米電子前沿技術，如納米線、納米管、量子點、納米粒子、納米薄膜及其他碳質(zhì)納米電子新材料的制備技術；③加強納米場效應晶體管、納米(集成)電路和生物傳感器等納米電子器件的研究；④重點關注納米材料陣列(如碳納米管陣列等)、納米材料的生長等納米加工與制備技術。

面對納米電子技術的飛速發(fā)展及其深遠影響，我國科技人員要抓住研究熱點與前沿技術，集中優(yōu)勢力量，加強納米電子基礎研究和應用研發(fā)，推進國家新一代電子信息技術的快速發(fā)展。

[1] 國務院. 國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)[EB/OL].[2012-08-24]. http://www.gov.cn/jrzg/2006-02/09/content_183787.htm.

[2] 中國科學院納米科技領域戰(zhàn)略研究組. 中國至2050年納米科技發(fā)展路線圖[M]. 北京:科學出版社,2011:24-26.

[3] 劉光富,胡冬雪. 綠色技術預見理論與方法：以新能源汽車為對象[M]. 北京:化學工業(yè)出版社,2009:93-98.

[4] 曾 路,孫永明. 產(chǎn)業(yè)技術路線圖原理與制定[M]. 廣州:華南理工大學出版社,2007:319-326.

[5] Chen C. CiteSpaceⅡ: Detecting and visualizing emerging trends and transient patterns in literature [J].JASIST.2006,57(3):359-377.

[6] 劉長利,沈雪石,張學驁,等. 納米電子技術的發(fā)展與展望[J]. 微納電子技術,2011,48(10):617-622.

[7] Erten C, Harding P J，Kobourov S G, et a1.Exploring the computing literature using temporal graph visualization[J]. Theory of Computing Systems,2003,38(3):313-327.

(責任編校 駱雪松)

AnAnalysisoftheDynamicMappingoftheInternationalNano-electronicsFieldinthe2000-2011Period

Zhang Xiaoyang，Cao Man

Institute of Science and Technology Information of Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China

Taking the SCI-Expanded database as the data source，we made an analysis of the temporal distribution of the research articles in the field of nano-electronics in the 2000-2011 period. At the same time, we summarized the main sub-fields in nano-electronics in the recent 12 years by a visualization method combining static mapping with dynamic mapping. And then, by analyzing the trends in each sub-field one by one, we came up with “the hot subjects”, “the declining subjects” and “the emerging subjects” in this field. Finally, we offered suggestions on these conclusions.

nano-electronics; temporal distribution; research trend; static map; dynamic map; visualization

G350 F407.6

* 本文系中信所聯(lián)合實驗室開放基金項目“國家重大專項重要領域研究與趨勢分析——以核心電子器件為例”(項目編號：IT2010009)研究成果之一

張曉陽，男，1969 年生，副研究館員，副館長，碩士生導師，研究方向為科學計量學，發(fā)表論文10余篇，主編教材1部； 曹 曼，女，1987 年生，2010級情報學碩士研究生，研究方向為科學計量學，發(fā)表論文2篇。