基于CiteSpace II的國際太赫茲技術知識圖譜研究

劉桂鋒 楊國立

(江蘇大學科技信息研究所 鎮(zhèn)江 212013)

·情報分析·

基于CiteSpace II的國際太赫茲技術知識圖譜研究

劉桂鋒 楊國立

(江蘇大學科技信息研究所 鎮(zhèn)江 212013)

利用CiteSpace軟件信息可視化方法，對1990-2010年間來自Web of Science (SCIE)數據庫的太赫茲技術領域研究的文獻數據進行統(tǒng)計和可視化分析。繪制該領域的機構分布、學科分布、期刊共被引、作者共被引、文獻共被引和關鍵詞的可視化圖譜。揭示該領域的領軍人物、知識基礎和研究前沿，為科研用戶快速了解學科領域研究全景圖提供重要參考。

信息可視化 太赫茲 CiteSpace 知識圖譜 研究前沿

1 引言

CiteSpace II是美國Drexel大學陳超美博士用Java語言開發(fā)出來的知識圖譜可視化分析工具，陳超美對科學知識圖譜理論與方法做出了奠基性貢獻[1-3]。近年來，國內外掀起了運用可視化科學知識圖譜方法來把握學科研究前沿和知識基礎發(fā)展動態(tài)[4]的浪潮。國外相關研究主要集中在某一學科主題的可視化研究[5-6]；而在國內，陳悅的《悄然興起的科學知識圖譜》[7]一文以及劉則淵的《科學知識圖譜：方法與應用》[8]一書對科學知識圖譜的研究起了重要的推動作用。CiteSpace II的研究文獻在2007年[9]出現(xiàn)后，國內對CiteSpace II可視化知識圖譜的研究進入高速發(fā)展期。

太赫茲技術是當前科學界的一個前沿研究領域，2004年被美國技術評論評選為“21世紀改變未來世界十大技術”之一。本文主要利用國際科學計量學的最新研究手段之一——科學知識圖譜，來展示和解讀太赫茲技術領域的知識特征。

2 數據與方法

以科學引文索引SCIE數據庫為數據源，檢索策略為：Topic = (terahertz OR THz) AND Year Published= (1990-2010) AND Document Types=(ARTICLE OR PROCEEDINGS PAPER OR REVIEW)，共檢索到結果10 344條，引文數據242 972條。采用CiteSpace II軟件 ，選定路徑搜索(pathfinder)算法，設定時間跨度為1年，主題詞來源選擇標題、摘要和關鍵詞，繪制機構分布、學科分布、期刊共被引、作者共被引、文獻共被引和關鍵詞共現(xiàn)的網絡可視化圖譜。

3 太赫茲技術領域的知識圖譜

3.1 機構分布

圖1 太赫茲技術文獻的機構知識圖譜

圖1為利用CiteSpace網絡節(jié)點確定為機構(Institution)，選擇適當閾值生成的機構知識圖譜，共出現(xiàn)258個機構及70條機構連線。機構分布比較分散，很多機構為孤立的點，說明大多數是本國或本區(qū)域的機構合作。圖1中引人注目的是俄羅斯科學院(Russian Acad Sci)以433篇排在首位，中國科學院(Chinese Acad Sci)以291篇列第二位，日本大阪大學(Osaka Univ)以276篇排在第三位，日本東北大學(Tohoku Univ)以195篇排在第四位，美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytech Inst)以190篇列第五位。其它發(fā)表論文數量較高的還有日本的東京大學(Univ Tokyo)和日本理化研究所(RIKEN)，美國的加州理工學院(CALTECH)、俄克拉荷馬州立大學(Oklahoma State Univ)、麻省理工學院(MIT)、加州大學圣塔巴巴拉分校(Univ Calif Santa Barbara)、加州大學伯克利分校(Univ Calif Berkeley)、萊斯大學(Rice Univ)和密歇根大學(Univ Michigan)。排在前二十位的還有德國科隆大學(Univ Cologne)和法國蒙彼利埃第二大學(Univ Montpellier 2)。

中國研究機構中，除了第2位的中科院，第19位的首都師范大學外，其它的還有：天津大學、臺灣國立交通大學、浙江大學、南京大學、華中科技大學和臺灣國立清華大學等。

3.2 學科分布

圖2 太赫茲技術文獻的學科知識圖譜

通過CiteSpace Ⅱ處理1990-2010年的題錄數據，選擇適當的閾值，將學科主題作為網絡節(jié)點，繪制太赫茲技術所涉及的學科領域圖譜，有61個節(jié)點，79條連接線，如圖2所示。圖譜中主要有8個較明顯的聚類，物理學科以6 903篇占據壓倒性優(yōu)勢。按照論文數量的大小，依次為光學2 616篇、工程1 959篇、化學652篇、材料科學645篇、儀器儀表375篇、納米科學與技術347篇、光譜學293篇。從學科分布來看，太赫茲技術早期比較集中在物理、光學、工程學科，隨著太赫茲技術光譜和成像應用的發(fā)展，逐漸向化學、材料、納米等學科過渡。

3.3 期刊分布

圖3 太赫茲技術文獻的核心期刊共被引知識圖譜

利用CiteSpace Ⅱ對所下載的全部文獻進行期刊共引分析，得到如圖3所示的期刊共被引可視化網絡圖譜，共有95個節(jié)點，598條連線。太赫茲技術領域共被引頻次高于1 000的期刊有19種，其中9種的共被引頻次高于2 000次，排在前5位的是物理和光學類期刊，分別是APPL PHYS LETT、PHYS REV LETT、PHYS REV B、J APPL PHYS和OPT LETT。而以中心度排在前5位的是J AM CHEM SOC、APPL PHYS LETT、PHYS REV LETT、PHYS REV B和J CHEM PHYS，與期刊共被引頻次排在前5位的有所不同，三種物理類期刊一致，而兩種化學類、或物理化學類期刊不同。

3.4 作者共被引分析

圖4 太赫茲技術文獻的作者共被引知識圖譜

選擇網絡節(jié)點為作者，得到如圖4所示的作者共被引可視化網絡圖譜，共有402個節(jié)點，512條連線。太赫茲技術領域單篇文獻共引頻次高于50次的作者有10位，1位(XC Zhang)來自美國，1位(EH Linfield)來自英國，2位(G Winnewisser和H Kurz)來自德國，其余6位來自日本。其中日本大阪大學的M Tonouchi和美國倫斯勒理工學院的張希成(XC Zhang)的文獻共引頻次遠遠高于其他作者，并且M Tonouchi還有1篇在2007年發(fā)表在Nature Photonics的文獻(共被引頻次為31次)；張希成還有2篇，分別是在2009年發(fā)表在Phys Rev Lett的文獻(共被引頻次為29次)和在1991年發(fā)表在Appl Phys Lett的文獻(共被引頻次為17次)，也說明了他們在太赫茲技術領域的重要地位，是學科領域的領軍人物。

中國作者中，單篇文獻共引頻次較高的有：中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的曹俊成(Phys. Rev. B, 2003, 67: 085309；Appl Phys Lett, 2008, 92: 221105)，天津大學太赫茲研究中心的張偉力(Opt. Express, 2008, 16: 1786)，原中國科學院上海冶金研究所(上海微系統(tǒng)與信息技術研究所)現(xiàn)上海交通大學的雷嘯霖(J Appl Phys, 1998, 84: 1396)，中科院物理研究所的汪力(J. Opt. Soc. Am. B, 2006, 23: 1174)，首都師范大學物理系的張巖(Opt Commun, 2009, 282: 4683)和張存林(Phys Lett, 2006, 359: 728)，西安理工大學應用物理系的施衛(wèi)(Solid-State Electronics, 2006, 50: 1128)，以及天津大學太赫茲研究中心的田震(Appl Phys Lett, 2010, 96: 071114)等。

3.5 文獻共被引分析

圖5 太赫茲技術領域的文獻共被引知識圖譜

利用CiteSpace軟件，網絡節(jié)點選擇參考文獻，以論文標題、摘要和關鍵詞(包括描述詞和標識符)作為前沿術語來源，調節(jié)相應的閾值，得到太赫茲技術領域研究論文的文獻共被引知識圖譜(圖5)。網絡由272個節(jié)點、1 073條共被引連線組成。通過文獻共被引分析識別太赫茲技術領域的知識基礎和研究前沿。圖5大致呈現(xiàn)了兩個主要聚類，聚類1可看作是知識基礎(冷色調，2000年之前)，聚類2是研究前沿(暖色調，2000年之后)。為了驗證上述文獻，在Google學術搜索中重新搜索，得到被引頻次(搜索日期：2012年1月9日)。表1為共被引網絡中被引頻次排名前12位的文獻。

表1 共被引網絡中被引頻次排名前12 位的文獻

聚類1主要由以下文獻構成：

文獻1的作者GRISCHKOWSKY是超快激光和太赫茲技術(太赫茲波天線產生、光電導取樣探測等技術)的奠基人之一，因發(fā)明“太赫茲時域頻譜技術”，被國際學術界譽為“太赫茲時域頻譜之父”。其在1990年的“Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors”文章中，使用太赫茲時域光譜的方法，測量了0.2-2.0THz頻段結晶藍寶石、石英、半導體硅、砷化鎵和鍺的吸收系數和色散信息，發(fā)現(xiàn)鍺的實驗值與簡單Drude理論模擬值一致，歸結為自由載流子效應。

文獻4的作者HU BB 在1995年“Imaging with terahertz waves”的論文中提出逐點掃描式太赫茲時域光譜成像技術，首次實現(xiàn)“太赫茲光成像”。

文獻7的作者SMITH PR在1988年“Subpicosecond photoconducting dipole antennas”的論文中提出用光電導天線產生太赫茲波。

文獻8的作者AUSTON DH在20世紀90年代利用低溫生長砷化鎵(GaAs)技術將光導開關推向了一個全新的階段，為光電導開關的發(fā)展做出了開創(chuàng)性貢獻，因此又稱為“Auston開關”。其在1984年的“Picosecond photoconducting Hertzian dipoles”文獻中將兩個光電導開關對稱的放在一塊介質的兩個表面，輻射源是光電導開關中的瞬時電流，相干探測通過對重復入射的電磁脈沖進行采樣實現(xiàn)。這個實驗是太赫茲光電子學開始的標志。

文獻9的作者MITTLEMAN DM在1996的“T-ray imaging”論文中介紹了太赫茲實時成像技術及其商業(yè)應用。

文獻10的作者FAIST J于1994年在年貝爾實驗室研制出世界上第一個III-V族材料(GaInAs/AlInAs) 的量子級聯(lián)激光器。

文獻11的作者ZHANG XC 是世界范圍內最早從事太赫茲科學與技術研究的帶頭人，美國乃至全世界太赫茲領域內的頂級專家，在太赫茲成像和生物-醫(yī)學應用、超快光子學、光電子學領域內取得了杰出成就。其在1990年的“Generation of femtosecond electromagnetic pulses from semiconductor surfaces”文獻中用半導體表面場效應產生太赫茲波。

文獻12的作者NAHATA A 于2007年研制出首款太赫茲帶通濾波器，突破“太赫茲空白隙”。其在1996年的“A wideband coherent terahertz spectroscopy system using optical rectification and electro-optic sampling”論文中用光整流產生太赫茲脈沖和電光取樣技術來探測太赫茲輻射。

從以上幾篇經典文獻來看，早期研究集中在太赫茲波產生、太赫茲波探測和太赫茲成像技術。

聚類2主要是由暖色節(jié)點組成的聚類，代表了該領域近10 年的研究前沿：

文獻2的作者KOHLER R于2002年研制成功世界上第一臺太赫茲量子級聯(lián)激光器。這一重要研究成果立即引起了世界科學家廣泛的興趣，從在Google scholar中的總被引頻次可見一斑。

文獻3的作者FERGUSON B在2002年的“Materials for terahertz science and technology”一文中綜述了太赫茲技術研究的最新進展，包括太赫茲系統(tǒng)(太赫茲源和太赫茲探測)和太赫茲光譜及成像應用。

文獻5的作者TONOUCHI M 2007年的綜述“Cutting-edge terahertz technology”在短短四年時間里在Google scholar中被引頻次達到700多次，在2012年1月10日的Web of Science中被引頻次達到600多次。該文不僅從太赫茲源、太赫茲探測、太赫茲光譜成像應用等方面(生物醫(yī)藥學、半導體、安全、信息通訊、地球與空間科學、基礎科學等)進行總結，并且還對未來8年的發(fā)展趨勢進行預測。

文獻6的作者SIEGEL PH 2002年的綜述“Terahertz technology”被引頻次也很高。

總之，2000年之后的經典文獻，除了文獻2之外，其它均為綜述文獻。

3.6 研究熱點分析

圖6 太赫茲技術文獻的關鍵詞共現(xiàn)圖譜

出現(xiàn)頻次較高的關鍵詞可以用于確定太赫茲技術研究的熱點領域和重要主題。網絡節(jié)點為關鍵詞，選擇合適的閾值，得到太赫茲技術文獻的關鍵詞共現(xiàn)圖譜，如圖6所示，共有152個節(jié)點，305條連線。圖中每個圓形節(jié)點代表關鍵詞節(jié)點，節(jié)點的大小代表該關鍵詞出現(xiàn)的頻次，節(jié)點越大表明這個關鍵詞出現(xiàn)的頻次越多。節(jié)點之間的連線代表兩個關鍵詞共同出現(xiàn)的次數，連線越粗表明共現(xiàn)次數越多。從圖6中可以看出，太赫茲技術領域共現(xiàn)頻次高于100的關鍵詞有60個，太赫茲(terahertz)是筆者在WOS中的檢索詞，因此出現(xiàn)的頻次很高，位居第四位。其它頻次位于前十位的分別是：太赫茲輻射的產生方法(generation)、太赫茲光譜系統(tǒng)(spectroscopy)、太赫茲輻射(radiation)、太赫茲脈沖(pulses)、太赫茲時域光譜(time-domain spectroscopy)、太赫茲激發(fā)(emission)、太赫茲動力學(dynamics)、砷化鎵晶體(GaAs)、太赫茲激光器(laser)等。根據關鍵詞頻次變化率，軟件從主題詞中探測到太赫茲技術領域研究前沿的3個突現(xiàn)詞分別是：pulses、GaAs和dynamics。在知識圖譜中，按中間中心度從大到小依次排列為：GaAs、pulses、spectroscopy、dynamics、generation、conductivity、laser、absorption等關鍵詞，這些詞都出現(xiàn)上世紀90年代，反映出它們一直是研究熱點。新世紀以來涌現(xiàn)的熱點詞有：terahertz laser spectroscopy(2000)、semiconductor superlattices(2000)、magnetic-field(2002)、water(2004)、InAs(2004)、field-effect transistors(2005)、wave-guides(2007)、metamaterials(2008)和iii-v semiconductors(2009)等。

從圖6可見，太赫茲技術研究主要涵蓋五個知識群：

知識群1#，太赫茲系統(tǒng)：包括除太赫茲發(fā)射器和探測器之外的各種物理器件的整體裝置。如各種激光器(飛秒激光器、自由電子激光器、量子級聯(lián)激光器)，波導器件，延遲線、鎖相放大器等。其中量子級聯(lián)激光器成為本領域的研究熱點。圖中相關的關鍵詞有：laser、silicon、devices、systems、wave-guides、femtosecond laser、quantum wells、terahertz heterostructure lasers 等。

知識群2#，太赫茲波產生：包括傳統(tǒng)的光子學技術和電子學技術兩種方法。光子學方法有光電導方法(光電導半導體、天線)，光整流效應(非線性介質，ZnTe)，以及最近發(fā)展的空氣等離子體中的四波混頻整流效應。電子學方法有反向波振蕩器、耿氏振蕩器、布洛赫振蕩器等。圖中相關的關鍵詞有：generation、optical rectification、emission、GaAs、semiconductors、crystals、oscillations、temperature-grown GaAs、thz radiation、antennas、bloch oscillations、mixer等。

知識群3#，太赫茲波探測：脈沖太赫茲信號探測最常用的兩種方法：光電導取樣和自由空間的電光取樣；連續(xù)太赫茲信號的探測有肖特基二極管、場效應晶體管等。圖中相關的關鍵詞有：field、metamaterials、field-effect transistors、electro-optic sampling等。

知識群4#，太赫茲光譜，包括各種類型的光譜以及在生命醫(yī)學、通訊雷達、安全監(jiān)測、化學材料、航空航天等方面應用。圖中相關的關鍵詞有：spectroscopy、time-domain spectroscopy、terahertz spectroscopy等。

知識群5#，太赫茲成像，包括太赫茲實時成像、太赫茲層析成像、太赫茲近場成像、太赫茲連續(xù)波成像等，遺憾的是本知識群在關鍵詞中沒有明顯顯示。

4 結論

本文利用最新信息可視化技術CiteSpace II軟件繪制了太赫茲技術領域的一系列知識圖譜，客觀展示了該領域的研究力量分布(機構分布、學科分布)，共被引期刊，相關的領軍人物、經典文獻以及知識基礎和研究前沿，得出以下結論：

(1)俄羅斯科學院、中國科學院、大阪大學、東北大學、倫斯勒理工學院等是目前太赫茲技術的主要研究機構；國內研究機構中，還有首都師范大學、天津大學、浙江大學、南京大學等。

(2)物理、光學、工程學科、化學和材料是太赫茲技術研究所隸屬的主要學科領域。

(3)GRISCHKOWSKY D、TONOUCHI M、ZHANG XC等是目前最重要的研究者，國內主要有曹俊成、張偉力、汪力、張存林等。

(4)太赫茲技術研究的文獻主要分布在APPL PHYS LETT、PHYS REV LETT、PHYS REV B、J APPL PHYS和OPT LETT五種物理類的期刊。

(5)太赫茲技術領域的知識基礎構成體現(xiàn)在90年代的一組奠基性文獻，有太赫茲時域光譜、太赫茲成像、電光取樣探測等；研究前沿體現(xiàn)在新世紀以來的重要綜述文獻。

(6)太赫茲技術研究主要涵蓋了五個知識群: 太赫茲系統(tǒng)、太赫茲波產生、太赫茲波探測、太赫茲光譜和太赫茲成像。

從以上分析可知，我國太赫茲技術研究，雖起步較晚，近年來發(fā)展很快，論文數量可觀，出現(xiàn)了很多研究機構和科研人員，但是論文質量不高，沒有重大原創(chuàng)性科研成果，跟隨性研究比較多。因此相關研究人員，應及時分析和把握前沿熱點，在國際舞臺上站穩(wěn)腳跟。

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ACiteSpace-II-basedStudyofKnowledgeMappingofTerahertzTechnology

Liu Guifeng, Yang Guoli

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

Based on a statistical analysis of the articles on terahertz technology from the Web of Science (SCIE) in the 1990- 2010 period with the visualization tool of CiteSpace II, the present paper draws the visualized knowledge mapping including the distribution of institutes and disciplines, journal co-citation, author co-citation, document co-citation and co-word keywords in the field of terahertz technology. It also identifies the key scholars, the intellectual base and the hot issues in this field. Our findings may help researchers to gain a panorama of the research in their disciplines quickly.

visualization of information; terahertz; CiteSpace; knowledge mapping; research front

G353; G301

劉桂鋒，男，1980年生，博士，館員，研究方向為圖書館信息服務、情報分析，發(fā)表論文6篇；楊國立，男，1979年生，碩士，館員，研究方向為科學計量學，發(fā)表論文6篇。