基于數(shù)據(jù)可視化軟件的量子點(diǎn)研究現(xiàn)狀分析?

王宿慧 張 旭 郭騰霄 丁學(xué)全

（1.軍事科學(xué)院防化研究院 北京 102205）（2.國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102205）

1 引言

量子點(diǎn)又稱納米晶、人造原子，是一種納米級的半導(dǎo)體新材料。量子點(diǎn)在三個維度上的尺寸都小于或近似等于其體激子玻爾半徑，尺寸限域引起了尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)等等，使其具有宏觀材料難以企及的良好物理、化學(xué)性能。量子點(diǎn)在醫(yī)藥、生物學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景［1］，因此對量子點(diǎn)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析，有助于把握量子點(diǎn)當(dāng)前和未來的研究重點(diǎn)和研究方向。但傳統(tǒng)的現(xiàn)狀分析方法有不少局限，如定性分析的多、定量分析的少，文字表述多、圖示展示少，對個別文獻(xiàn)解剖多，對海量文獻(xiàn)概括少。

論文首先通過關(guān)鍵詞（使用通配符等高級檢索）或主題詞，盡可能查全查準(zhǔn)量子點(diǎn)領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)，將文獻(xiàn)批量導(dǎo)出，數(shù)量越多，最后的分析結(jié)果越準(zhǔn)確。再將文獻(xiàn)導(dǎo)入Endnote 文獻(xiàn)管理軟件中，再通過Endnote 導(dǎo)出文獻(xiàn)，使得文獻(xiàn)導(dǎo)出格式符合可視化軟件導(dǎo)入文獻(xiàn)的格式要求，通過選擇共獻(xiàn)、共著、發(fā)展趨勢、網(wǎng)絡(luò)關(guān)系等選項，定制自己需要的圖表。獲得圖表后，結(jié)合查閱的相關(guān)資料，分析圖表，得出現(xiàn)狀分析結(jié)論。

2 量子點(diǎn)研究的歷史趨勢與經(jīng)典事件分析

首先，我們利用AMiner 工具+關(guān)鍵查詢，對量子點(diǎn)的發(fā)文數(shù)量及關(guān)鍵事件進(jìn)行了歷史趨勢分析，之后，利用中國工程科技知識中心網(wǎng)站提供的工具+關(guān)鍵查詢，對中外發(fā)刊數(shù)量進(jìn)行了歷史趨勢及對比研究，二者也進(jìn)行了相互驗(yàn)證。

通過AMiner 科技情報挖掘平臺，對關(guān)鍵詞“量子點(diǎn)”進(jìn)行分析，并結(jié)合百度文庫以及網(wǎng)頁資料查詢，可得到以下基本的研究趨勢結(jié)論，量子點(diǎn)領(lǐng)域相關(guān)研究工作，自1952 年發(fā)表第一篇論文起，不斷深入，截至2016年共發(fā)表論文10859篇，期間，2015年發(fā)表論文最多，達(dá)到1215 篇，表明量子點(diǎn)研究內(nèi)容的不斷深化、范圍的不斷擴(kuò)大的總體趨勢，參見圖1。

圖1 量子點(diǎn)研究趨勢

在量子點(diǎn)不斷深化的研究過程中，有以下典型的研究節(jié)點(diǎn)和典型事件。

1993 年MIT 的Bawendi 課題組合成出硒化鎘等金屬硫族化合物納米晶體，成為半導(dǎo)體納米晶研究快速發(fā)展時期，這也是系統(tǒng)研究量子點(diǎn)的早期經(jīng)典之作［2］。

1998 年P(guān).Alivisatos 等將量子點(diǎn)用于纖維原細(xì)胞標(biāo)記，從此揭開量子點(diǎn)作為熒光探針應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像的標(biāo)志性事件［3］。

從圖1中看，2001年～2005年，量子點(diǎn)的研究有較大發(fā)展斜率，結(jié)合百度百科，我們發(fā)現(xiàn)在2003 年量子點(diǎn)有非常重要的研究進(jìn)展，如Burda 團(tuán)隊在本年度，首先闡釋了量子點(diǎn)作為光敏劑的發(fā)展?jié)摿Γ?］，其他團(tuán)隊也進(jìn)行了相關(guān)研究。同年，中科院與香港城市大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)，這種量子點(diǎn)可高效產(chǎn)生單線態(tài)氧，并作用于活體，可殺死腫瘤，近年來，仍有許多醫(yī)療醫(yī)藥研究機(jī)構(gòu)將量子點(diǎn)材料應(yīng)用到腫瘤光熱治療以及放射治療上。

2006年前后，S.J.Rosenthal等制備了一種超小CdSe 納米晶作為白光熒光粉，大大拓展了量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）的應(yīng)用前景。

2012 年，量子點(diǎn)催化體系的光催化產(chǎn)氫研究取得了重要突破，大大提升了無貴金屬催化劑的應(yīng)用可行性。

2014 年，Kovalenko 的課題組率先制備了全無機(jī)銫鉛鹵化物鈣鈦礦量子點(diǎn)，鈣鈦礦量子點(diǎn)成為新興的研究熱點(diǎn)，這種量子點(diǎn)不僅在光伏電池和光電顯示器件有所應(yīng)用，還為制造新型激光材料提供了新策略［5］。

2014 年前后，我國的量子點(diǎn)顯示技術(shù)也迎來了發(fā)展小高潮，在近年來的電視市場中，量子點(diǎn)顯示技術(shù)成為了各廠商爭奪的戰(zhàn)略高地，利益爭奪往往能推動科技的進(jìn)步［6］。廠商紛紛斥資致力于其在電視產(chǎn)品中的應(yīng)用，而量子點(diǎn)在顯示屏中的應(yīng)用也將朝著“電致發(fā)光”，即QLED的最終形態(tài)進(jìn)化。

下面，我們再利用中國工程科技知識中心網(wǎng)站提供的工具，檢索相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)、期刊，并進(jìn)行中外期刊在量子點(diǎn)方面研究的特點(diǎn)對比。

圖2 中文期刊年發(fā)刊數(shù)量柱狀圖

圖2 為以“量子點(diǎn)”“光譜”為關(guān)鍵字的中文期刊年發(fā)表量柱狀圖。由圖可見，國內(nèi)量子點(diǎn)光譜相關(guān)研究發(fā)刊數(shù)量有小的波動，但大體成增長趨勢。2003 年，有凸點(diǎn)出現(xiàn)，印證了該年度量子點(diǎn)的突破性研究進(jìn)展。

圖3 為以“量子點(diǎn)”“光譜”為關(guān)鍵字的外文期刊年發(fā)表量柱狀圖。由圖可見，2000 年～2002 年，國外量子點(diǎn)光譜相關(guān)研究發(fā)刊數(shù)量波動較大，推知國外可能在2002 年前后取得了量子點(diǎn)領(lǐng)域中的重大突破，查閱資料我們得知，2002 年美國研究人員率先探索了量子點(diǎn)體內(nèi)標(biāo)記的可能性［7］，同年，美國麻省理工大學(xué)首次報道了一種新型的量子點(diǎn)發(fā)光器件，將有機(jī)材料和高效發(fā)光的無機(jī)量子點(diǎn)納米晶結(jié)合在一起產(chǎn)生擁有新型結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)發(fā)光器件［8］，也是在該年，美國首次將量子點(diǎn)投入商業(yè)化應(yīng)用。

通過圖2、圖3對比，美國量子點(diǎn)研究論文的發(fā)表，始于1972 年（1952 年的論文，未收錄于該數(shù)據(jù)庫，但不影響大趨勢的分析），而我國在1998 年才開始刊載，美國的量子點(diǎn)研究較國內(nèi)早20 年以上，年發(fā)刊較國內(nèi)多3～7 期。但從近期研究態(tài)勢看，我國正在逐漸縮小與美國間的差距，并推知在未來幾年，我國量子點(diǎn)相關(guān)領(lǐng)域的研究將更加廣泛而深入。

圖3 英文期刊年發(fā)刊數(shù)量柱狀圖

3 量子點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題與重點(diǎn)方向分析

利用AMiner 工具，我們將量子點(diǎn)研究的關(guān)鍵詞進(jìn)行了圖示化展示，得出圖4，分析得知：

1992 年～2004 年，近12 年，量子點(diǎn)相關(guān)領(lǐng)域研究都以半導(dǎo)體量子點(diǎn)、半導(dǎo)體、光致發(fā)光三個領(lǐng)域和方向?yàn)橹鳌?/p>

2005 年～2008 年，熒光探針的研究逐漸代替了半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)入量子點(diǎn)相關(guān)領(lǐng)域研究最熱門前三名，也就是，半導(dǎo)體量子點(diǎn)、熒光探針、光致發(fā)光。

2009 年CdTe 量子點(diǎn)研究興起，至2012 年，始終保持著最多論文發(fā)表數(shù)量。

與此同時，碳量子點(diǎn)與石墨烯量子點(diǎn)逐漸進(jìn)入人們視線，碳量子點(diǎn)領(lǐng)域研究迅猛，由2012年的12篇論文激增至2013 年的34 篇論文，代替CdTe量子點(diǎn)領(lǐng)域成為了最熱門的研究領(lǐng)域。

自2014 年石墨烯量子點(diǎn)領(lǐng)域研究興起至今，CdTe 量子點(diǎn)、碳量子點(diǎn)、石墨烯量子點(diǎn)始終保持量子點(diǎn)領(lǐng)域研究最熱門前三名。

碳量子點(diǎn)具有優(yōu)秀的光學(xué)性質(zhì)，良好的水溶性、低毒性、環(huán)境友好、原料來源廣、成本低、生物相容性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)分析、催化劑制備、能源開發(fā)等許多的領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用前景［9］。

石墨烯量子點(diǎn)內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動都受到局限，所以量子局限效應(yīng)特別顯著，具有許多獨(dú)特的性質(zhì)。這或?qū)殡娮訉W(xué)、光電學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的變化。但是由于碳量子點(diǎn)在制備過程中容易團(tuán)聚，形成大小不均勻的量子點(diǎn)嚴(yán)重影響其光學(xué)性質(zhì)，而石墨烯量子點(diǎn)的合成不僅耗時而且制備工藝繁雜，要求制備條件苛刻［10］。因此預(yù)計碳量子點(diǎn)及石墨烯量子點(diǎn)的制備合成工藝將在未來幾年有著更深入的研究。

圖4 量子點(diǎn)領(lǐng)域研究方向分布圖

通過使用VOSviewer 共獻(xiàn)分析軟件，從CNKI中以量子點(diǎn)光譜為關(guān)鍵字，檢索了500 條文獻(xiàn)，通過密度可視化分析，我們可以看出，碳量子點(diǎn)、石墨烯量子點(diǎn)為近年研究熱點(diǎn)，與以上結(jié)論相一致，相互進(jìn)行了印證，如圖5所示。

圖5 量子點(diǎn)光譜領(lǐng)域密度圖

我們又以“量子點(diǎn)”為關(guān)鍵字，在中國工程科技知識中心網(wǎng)站中檢索近一年的中、英文期刊，通過詞云分析，可顯示出近一年國內(nèi)外量子點(diǎn)領(lǐng)域的熱詞、相關(guān)詞以及其熱度與相關(guān)性，我們對比國內(nèi)外詞云（圖6（a）、（b））可以發(fā)現(xiàn)：

我國量子點(diǎn)領(lǐng)域比較熱門的研究方向?yàn)樘剂孔狱c(diǎn)、石墨烯量子點(diǎn)、熒光。美國的熱門方向?yàn)楣庵掳l(fā)光、石墨烯量子點(diǎn)、熒光。由于美國研究量子點(diǎn)較我國早20 年，因此我們也可借鑒美國經(jīng)驗(yàn)，將光致發(fā)光作為未來重點(diǎn)突破方向。

接下來我們通過一年內(nèi)的國內(nèi)外期刊對量子點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)性分析，通過提取數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵詞，分析出每個詞的熱度指數(shù)，以及詞與詞之間相關(guān)度。圖7 中“量子點(diǎn)”為中心詞，其他詞與“量子點(diǎn)”的相關(guān)度越高，則在圖中與“量子點(diǎn)”的距離越近；反之，與“量子點(diǎn)”的距離相對較遠(yuǎn)。圖中，每個詞的圈越大，則表示該詞熱度指數(shù)越高，圈越小代表該詞熱度指數(shù)相對較低。如圖七所示，我們可以很明顯地看到美國量子點(diǎn)相關(guān)領(lǐng)域熱度平均較我國高很多，因此我們應(yīng)該加大資金投入、加快研究速度，促進(jìn)量子點(diǎn)領(lǐng)域科研發(fā)展，提高我國的科技競爭力。

圖6（a） 國外量子點(diǎn)領(lǐng)域相關(guān)詞云分析

圖6（b） 國內(nèi)量子點(diǎn)領(lǐng)域相關(guān)詞云分析

圖8（a）和圖8（b）為圖7 中相應(yīng)的熱詞排行和關(guān)鍵詞排行，可清楚地看出我們與美國近一年里的科研差距主要體現(xiàn)在發(fā)文數(shù)量上的差距。

4 量子點(diǎn)研究的權(quán)威作者與權(quán)威機(jī)構(gòu)分析

通過中國知網(wǎng)，以“量子點(diǎn)”為關(guān)鍵字檢索文獻(xiàn)，以被引次數(shù)為統(tǒng)計指標(biāo)由高到低排序，導(dǎo)出前500 條文獻(xiàn)，通過VOSviewer 共著可視化分析，如圖9?？梢钥闯鲈擃I(lǐng)域較為權(quán)威的作者有徐淑坤、王麗萍、張皓、楊柏、林章碧、金欽漢、曾慶輝等。

圖7 量子點(diǎn)領(lǐng)域國內(nèi)外期刊近一年相關(guān)性分析

圖8（a） 量子點(diǎn)領(lǐng)域國內(nèi)外期刊近一年熱詞、相關(guān)度排行

圖8（b） 量子點(diǎn)領(lǐng)域國內(nèi)外期刊近一年熱詞、相關(guān)度排行

圖9 量子點(diǎn)相關(guān)作者共著密度可視化分析圖

從web of science 核心合集中以量子點(diǎn)光譜為關(guān)鍵字，以被引順序由大到小排列，導(dǎo)出500 條文獻(xiàn)，通過VOSviewer 共著可視化分析，可以看出中間的作者zadiranov.yu.m.參與了很多量子點(diǎn)光譜相關(guān)領(lǐng)域的論文編著，其文章應(yīng)該相對具有權(quán)威性。左邊紅色區(qū)域的作者為近幾年發(fā)文較多的作者，可推知他們近幾年繼續(xù)從事量子點(diǎn)光譜方向的研究，可對作者blundell.s.a、kapaldo.j、oktyabrsky.s、merz，j.i進(jìn)行深入了解，如果有與研究量子點(diǎn)光譜儀相關(guān)的作者，可對其研究成果、發(fā)表論文進(jìn)行后續(xù)跟進(jìn)，如圖10所示。

圖10 量子點(diǎn)光譜相關(guān)作者共著可視化分析圖

我們同樣可以通過中國工程科技知識中心網(wǎng)站來分析作者分布情況，下面以英文期刊作者為例，通過數(shù)據(jù)提取，獲得了一張作者玫瑰圖，如圖11 所示。由于分析篇幅較少，因此作者之間的差異體現(xiàn)并不是很大，但右邊色塊的排序直接反映了作者影響力的大小。我們可以通過AMiner 對權(quán)威作者進(jìn)行追蹤，查看其研究領(lǐng)域、科研單位以及相關(guān)人員，如圖12所示（由于AMiner沒有第一位作者相關(guān)信息，因此我們以第二位為例展示該作者資料）。

圖11 量子點(diǎn)領(lǐng)域英文期刊作者分析

圖12 量子點(diǎn)領(lǐng)域作者cunzhuTong相關(guān)信息

通過此處雷達(dá)圖可以看到該作者在AMiner 平臺的發(fā)文量為15，被引次數(shù)為81，H 指數(shù)為5，G 指數(shù)為9 等等信息，中間的彩色不規(guī)則色條顯示的是該作者的隨時間變化研究方向的情況。右側(cè)是該作者的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，與其關(guān)系最密切的作者可能是其導(dǎo)師、科研合作伙伴、學(xué)生等，若該作者研究方向與我們十分契合，則可以通過該網(wǎng)絡(luò)，對其及其網(wǎng)絡(luò)關(guān)系人進(jìn)行追蹤，實(shí)時獲取其發(fā)布論文、期刊等信息。

在研究機(jī)構(gòu)的分析方面，我們采用的是中國工程科技知識中心的分析工具，通過高級搜索，以量子點(diǎn)光譜為關(guān)鍵詞搜索中文期刊，通過重點(diǎn)個人分析可得到申請專利數(shù)量最多的申請個人排名情況，并通過專利數(shù)，推斷相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)，如圖13 所示，可以看出“中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所”、“上海交通大學(xué)”、“南開大學(xué)”這三個單位的申請人申請的專利數(shù)量最多，數(shù)量分別為14件、12件、12件。

圖13 中文期刊申請人排名圖

圖14 量子點(diǎn)相關(guān)領(lǐng)域相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)文圖

通過中國工程科技知識中心，以量子點(diǎn)為關(guān)鍵字做工程領(lǐng)域可視化分析，得到圖14 相關(guān)機(jī)構(gòu)以及發(fā)表的文章數(shù)量，由圖可見“中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所”、“中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激發(fā)態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“內(nèi)蒙古大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院”發(fā)表文獻(xiàn)最多，分別為548、137、114篇。

綜合分析以上兩圖可以推知“中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所”是目前國內(nèi)從事量子點(diǎn)研究方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)，我們可以對其研究動態(tài)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)語

本文通過一系列的研究分析，推測量子點(diǎn)未來將朝著石墨烯量子點(diǎn)、碳量子點(diǎn)的合成與運(yùn)用以及光致發(fā)光方向發(fā)展，量子點(diǎn)領(lǐng)域相關(guān)權(quán)威專家有徐淑坤、王麗萍、zadiranov.yu.m.等，量子點(diǎn)領(lǐng)域權(quán)威機(jī)構(gòu)為中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所。上述研究是初步的，我們查閱多個文庫發(fā)現(xiàn)，量子點(diǎn)領(lǐng)域權(quán)威專家在不同的文庫中有些出入，原因可能是發(fā)文作者投稿的文庫不一樣，文庫收錄的文獻(xiàn)不夠全面，因此對專家的權(quán)威性的認(rèn)定不一定十分精準(zhǔn)，后期可通過更細(xì)致的篩查研究確定。