核心电子器件研究趋势可视化分析
2022-06-08
1引言
光电子学是由光学技术和电子学技术结合而成的技术学科，是继微电子技术之后迅速兴起的一个高科技领域，将在当今信息时代占据越来越为重要的位置。全面深刻了解该领域发展现状及趋势对于科技管理、科研选题和国际合作具有重要意义。本文以预测光电子学领域未来发展趋势为目的，利用知识图谱可视化工具，以固定时长随时间逐步推移为窗口，绘制动态知识图谱，连续观察其研究热点变化趋势，形成一套新的技术情报监测方法。
2样本与方法
以SCI-Expanded数据库为数据来源，检索策略为："（主题=（opto-electronicdevice*）OR（optoelectronicdevice*））AND文献类型=（Article）"，时间确定为2000-2011年，经检索和清洗，最终得到6266条论文记录。运用科学计量学的方法及CiteSpaceII可视化工具，对光电子学领域的学术论文作国家/地区分布及研究热点趋势的分析。
3光电子学领域研究国家/地区分布
6266篇论文记录共分布于78个国家/地区，其中美国、中国和日本分别位列SCI论文量世界前三甲。值得注意的是，中国台湾跃居前5，可见在近12年间，其对光电子器件领域的研究较为活跃（见表1）。
而要确定核心国家/地区，仅凭论文发表量来判定有失偏颇。篇均被引频次（AverageCitationsPerPaper）是在给定时间内，某期刊（科学家、机构和国家/地区）所发表文献的总被引频次除以该刊（科学家、机构和国家/地区）全部论文数。以国家为例，它表示某国家所发表论文被引用的平均水平，若其值高，代表该国家在本学科和学科共同体中的影响程度高。篇均被引频次是一个相对数量指标，它弥补了绝对数量指标中马太效应导致的偏差。因此，该指标可消除国家/地区科研规模大小的差别，更强调科学研究的质量。
统计SCI论文量TOP20国家/地区2000-2011年的篇均被引频次，并与世界平均水平相比较，如图1所示。其中世界平均水平为18.95。在SCI论文量TOP20国家/地区中，有6个国家的篇均被引频次超过了世界平均水平，分别为：美国（37.50）、瑞典（37.01）、荷兰（34.41）、以色列（26.77）、英国（24.62）、瑞士（21.25）；有4个国家较为接近世界平均水平，分别为：意大利（17.71）、日本（17.48）、加拿大（16.33）、德国（16.10）；包括中国在内的其余10个国家/地区的篇均被引频次均小于15。从图2中可以看出，以世界平均水平为分界线，世界上不同国家/地区对光电子器件研究的篇均被引频次存在较为明显的分化现象。各国在该领域的科研实力参差不齐，存在较大差距。
4光电子学领域研究趋势动态图谱分析
为了清晰展示和准确分析光电子器件领域研究论文的研究热点，本文利用CiteSpaceⅡ软件，生成关键词共现图谱。在关键词共现图谱中，节点的中心性是一个用以量化点在网络中地位重要性的图论概念，中心性越大，表明该节点在网络中越为重要[1]。本文提出一种动态监测方法，即以3年为时间窗，以1年为一个单位时间差依次向后推移，将2000-2011年12年划分为10个时间段，得到随着时间连续变化的研究热点动态图谱，见图2。在图谱的绘制过程中，选择"节点标签的字体大小与节点中心性大小成正比例显示"；为保证在分析动态图谱中研究热点词的中心性随时间变化情况时的准确性，所有图谱的相关参数均做相同设置，如：NodeSize：30，FontSize：10，Threshold：8。图中共呈现出36个关键节点，即研究热点关键词，其中心性均不小于0.05，见表2。利用词频分析法和共词分析法，分析光电子学领域研究论文的研究热点。
在表2中，序号4的关键词在本研究中与检索词重合，不具有实际意义，因此对其不再做具体分析。结合以上图表并征求电子学相关专家意见，光电子器件领域的研究基本上是围绕以下3个研究方向而展开，主要归纳如下：
⑴纳米光电子器件及技术：light-emitting-diodes、nanowires、diodes、lasers、photodetectors、nanostructures、nanorods、nanocrystals、nanotubes、nanoparticles、room-temperature、optical-properties；
⑵薄膜器件及技术：thin-films、growth、molecular-beamepitaxy、layers、chemical-vapor-deposition、deposition、emission、luminescence、electroluminescence、photoluminescence、thin-filmtransistors；
⑶聚合物与光伏器件：polymers、alloys、conjugatedpolymers、morphology、GaAs、silicon、arrays、photovoltaiccells、solar-cells、efficiency。
4.1研究热点一：纳米光电子器件及技术
纳米光电子器件是纳米半导体光电子技术领域中的一个主要分支，旨在研究各种纳米光电子器件的制作方法、工作原理及其在光通信和光信息处理中的应用等[2]。近年来国际上的研究热点主要集中在：发光二极管，其近年来的成就使有色光二极管尤其是白色发光二极管成功应用于便携式和特殊照明；纳米激光器，包括量子阱、量子线和量子点激光器等；光电探测器，主要是红外光电探测器、谐振腔增强型光电探测器等的研究；纳米线、纳米棒、纳米晶体及纳米粒子等在室温下的结构特征及光学性能[3-4]等。统计动态图谱10个时间段中各热点词的中心性值变化情况，得出结果为：发光二极管的研究在2001-2003年度达到最高点，此后稍有下降，并在2007-2009年度达到第二个高潮，对其的研究关注度具有一定的间断性；激光器的研究在早期较为突出，在后期关注热度一般；光电探测器在早期和后期均有一定的研究，但在中间时段出现空缺；光电子纳米线、纳米结构、纳米棒、纳米晶体和纳米粒子器件等的研究基本呈现出一致的状态，均是在近5年出现较高的研究热度。4.2研究热点二：薄膜器件及技术
薄膜技术是研制新材料、新结构的重要方法之一，用该技术制作的材料具有优良的光电性能、钝化性能以及抗水渗透性能等，主要用来充当绝缘层、各种敏感膜层，具有很高的硬度和较强的化学稳定性。在光电子器件中，薄膜的使用非常普遍，因此对其的研究进展也是学者们关注的热点。近年来国际上在薄膜器件及技术方面的研究主要集中在：薄膜的制备与生长，尤其是利用分子束外延技术和化学气相沉积技术制作薄膜；薄膜的光致发光、电致发光特性、光电发射特性等；有机薄膜晶体管的制作和应用等[5]。在12年间，薄膜的生长特性研究一直具有较高的关注度；分子束外延技术比化学气相沉积技术具有更高的关注度；光电子薄膜中光致发光的研究呈现出下降的趋势，而电致发光的研究在近5年重新复燃；薄膜光电发射特性的研究呈现出波浪式趋势；薄膜晶体管为近3年的研究热点。
4.3研究热点三：聚合物与光伏器件
有机聚合物材料由于其具有快速响应的性能和容易加工等优点，对于集成光电子器件的制备来说是非常有吸引力的。近年来国际上在此方向上的研究热点主要集中在：聚合物电光调制器阵列、含金属（合金）共轭聚合物、聚合物的形貌优化以及共轭聚合物光伏材料研究等。近年来由于能源危机的日趋严重，其中聚合物光伏材料已经成为国内外研究的重中之重，主要包括光伏电池和太阳能电池，目前研究和开发的太阳能电池有单晶硅、多晶硅、无定型硅、单晶GaAs等[6-8]。统计动态图谱中各热点词的中心性值变化情况，得出结果为：2003-2005年间是光电子器件领域研究的低潮。对于聚合物器件来说，共轭聚合物和聚合物电光调制器阵列在后期一直处于较高的研究热度；聚合物形貌优化研究在2005-2007年间达到最高点；合金共轭聚合物的研究热度稍有起伏；对于聚合物光伏材料来说，光伏电池和太阳能电池及其光电转化效率的研究基本同步，同时在2006-2010年间达到较高的研究热度；硅材料与砷化镓材料相对来说，研究热度处于较低水平。
参照Erten等人的做法，将以上研究热点的发展趋势分为三类：研究热点主题、逐渐过时的主题和快速发展的主题[9]，见表3。
5结论与建议
本文提出一种动态观测技术科学研究方法，较好地展示了技术热点演变过程，得到了相关电子领域专家的基本认可，对光电子器件领域研究趋势的观测结论和建议如下：
⑴在光电子器件领域的研究中，从国家/地区层面上可以看出，中国虽然SCI论文发表总量排名位于前3名，但其论文篇均被引频次却低于世界平均水平，中国在国家层面上未能在核心电子器件研究领域起到核心作用。其主要原因是起步基础较为薄弱。目前，中国正处于国家中长期科技发展规划纲要实施的初步阶段，我们需要从现有基础出发，进一步增强自身科研实力，重视原始创新，提高论文影响力。论文"量不在多，重在核心"。
⑵光电子器件领域的主要研究方向有3个，分别为：纳米光电子器件及技术、薄膜器件及技术、聚合物与光伏器件。每个研究方向中研究热点的发展趋势又分为三类：研究热点主题、逐渐过时的主题和快速发展的主题。"研究热点主题"依然是目前阶段研究热点，需国家科研机构和相关学者持续关注与研究其相关技术；"逐渐过时的主题"经历了一个由热到冷的发展阶段，说明其技术已发展成熟或被其他技术所取代，已不再是目前的研究热点，可不再继续关注；"快速发展的主题"是目前和今后阶段的研究热点与前沿，能够引领该领域的研究热潮，需重点关注。
[参考文献]
[1]ChenC.CiteSpaceⅡ：Detectingandvisualizingemergingtrendsandtransientpatternsinliterature[J].JASIST.2006，57（3）：359-377.
[2]彭英才.纳米光电子器件[M].北京：科学出版社.2010：12-16.
[3]FermínLuisCapitán-Vallvey，JPalmaAlberto.Recentdevelopmentsinhandheldandportableoptosensing-Areview[J].AnalyticaChimicaACTA，2011，696（1-2）：27-46.
[4]CROUSED.Numericalmodelingandelectromagneticresonantmodesincomplexgratingstructuresandoptoelectronicdeviceapplications[J].ElectronDevices，IEEETransactionson，2005，52（11）：2323-2365.
[5]SENDAT，CHOYJ，HIRAKAWAT.Developmentoffull-colordisplaycombinedwithultraviolet-electroluminescencephotoluminescencemultilayeredthinfilms[J].JapaneseJournalofAppliedPhysicsPart1-REGULARPapersShortNotes&ReviewPapers，2000，39（8）：4716-4720.
[6]ENGELM，SMALLJP，STEINERM，etal.ThinFilmNanotubeTransistorsBasedonSelf-Assembled，Aligned，SemiconductingCarbonNanotubeArrays[J].ACSNANO，2008，2（12）：2445-2452.
[7]MAYERT，WEILERU，KELTINGC，etal.Silicon-organicpigmentmaterialhybridsforphotovoltaicapplication[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2007，91（20）：1873-1886.
[8]MARR?NDF，C?NOVASE，LEVYMY，etal.Optoelectronicevaluationofthenanostructuringapproachtochalcopyrite-basedintermediatebandmaterials[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2010，94（11）：1912-1918.
[9]ErtenC，HardingPJ.KobourovSG，eta1.Exploringthecomputingliteratureusingtemporalgraphvisualization[J].TheoryofComputingSystems，2003，38（3）：313-327.
光电子学是由光学技术和电子学技术结合而成的技术学科，是继微电子技术之后迅速兴起的一个高科技领域，将在当今信息时代占据越来越为重要的位置。全面深刻了解该领域发展现状及趋势对于科技管理、科研选题和国际合作具有重要意义。本文以预测光电子学领域未来发展趋势为目的，利用知识图谱可视化工具，以固定时长随时间逐步推移为窗口，绘制动态知识图谱，连续观察其研究热点变化趋势，形成一套新的技术情报监测方法。
2样本与方法
以SCI-Expanded数据库为数据来源，检索策略为："（主题=（opto-electronicdevice*）OR（optoelectronicdevice*））AND文献类型=（Article）"，时间确定为2000-2011年，经检索和清洗，最终得到6266条论文记录。运用科学计量学的方法及CiteSpaceII可视化工具，对光电子学领域的学术论文作国家/地区分布及研究热点趋势的分析。
3光电子学领域研究国家/地区分布
6266篇论文记录共分布于78个国家/地区，其中美国、中国和日本分别位列SCI论文量世界前三甲。值得注意的是，中国台湾跃居前5，可见在近12年间，其对光电子器件领域的研究较为活跃（见表1）。
而要确定核心国家/地区，仅凭论文发表量来判定有失偏颇。篇均被引频次（AverageCitationsPerPaper）是在给定时间内，某期刊（科学家、机构和国家/地区）所发表文献的总被引频次除以该刊（科学家、机构和国家/地区）全部论文数。以国家为例，它表示某国家所发表论文被引用的平均水平，若其值高，代表该国家在本学科和学科共同体中的影响程度高。篇均被引频次是一个相对数量指标，它弥补了绝对数量指标中马太效应导致的偏差。因此，该指标可消除国家/地区科研规模大小的差别，更强调科学研究的质量。
统计SCI论文量TOP20国家/地区2000-2011年的篇均被引频次，并与世界平均水平相比较，如图1所示。其中世界平均水平为18.95。在SCI论文量TOP20国家/地区中，有6个国家的篇均被引频次超过了世界平均水平，分别为：美国（37.50）、瑞典（37.01）、荷兰（34.41）、以色列（26.77）、英国（24.62）、瑞士（21.25）；有4个国家较为接近世界平均水平，分别为：意大利（17.71）、日本（17.48）、加拿大（16.33）、德国（16.10）；包括中国在内的其余10个国家/地区的篇均被引频次均小于15。从图2中可以看出，以世界平均水平为分界线，世界上不同国家/地区对光电子器件研究的篇均被引频次存在较为明显的分化现象。各国在该领域的科研实力参差不齐，存在较大差距。
4光电子学领域研究趋势动态图谱分析
为了清晰展示和准确分析光电子器件领域研究论文的研究热点，本文利用CiteSpaceⅡ软件，生成关键词共现图谱。在关键词共现图谱中，节点的中心性是一个用以量化点在网络中地位重要性的图论概念，中心性越大，表明该节点在网络中越为重要[1]。本文提出一种动态监测方法，即以3年为时间窗，以1年为一个单位时间差依次向后推移，将2000-2011年12年划分为10个时间段，得到随着时间连续变化的研究热点动态图谱，见图2。在图谱的绘制过程中，选择"节点标签的字体大小与节点中心性大小成正比例显示"；为保证在分析动态图谱中研究热点词的中心性随时间变化情况时的准确性，所有图谱的相关参数均做相同设置，如：NodeSize：30，FontSize：10，Threshold：8。图中共呈现出36个关键节点，即研究热点关键词，其中心性均不小于0.05，见表2。利用词频分析法和共词分析法，分析光电子学领域研究论文的研究热点。
在表2中，序号4的关键词在本研究中与检索词重合，不具有实际意义，因此对其不再做具体分析。结合以上图表并征求电子学相关专家意见，光电子器件领域的研究基本上是围绕以下3个研究方向而展开，主要归纳如下：
⑴纳米光电子器件及技术：light-emitting-diodes、nanowires、diodes、lasers、photodetectors、nanostructures、nanorods、nanocrystals、nanotubes、nanoparticles、room-temperature、optical-properties；
⑵薄膜器件及技术：thin-films、growth、molecular-beamepitaxy、layers、chemical-vapor-deposition、deposition、emission、luminescence、electroluminescence、photoluminescence、thin-filmtransistors；
⑶聚合物与光伏器件：polymers、alloys、conjugatedpolymers、morphology、GaAs、silicon、arrays、photovoltaiccells、solar-cells、efficiency。
4.1研究热点一：纳米光电子器件及技术
纳米光电子器件是纳米半导体光电子技术领域中的一个主要分支，旨在研究各种纳米光电子器件的制作方法、工作原理及其在光通信和光信息处理中的应用等[2]。近年来国际上的研究热点主要集中在：发光二极管，其近年来的成就使有色光二极管尤其是白色发光二极管成功应用于便携式和特殊照明；纳米激光器，包括量子阱、量子线和量子点激光器等；光电探测器，主要是红外光电探测器、谐振腔增强型光电探测器等的研究；纳米线、纳米棒、纳米晶体及纳米粒子等在室温下的结构特征及光学性能[3-4]等。统计动态图谱10个时间段中各热点词的中心性值变化情况，得出结果为：发光二极管的研究在2001-2003年度达到最高点，此后稍有下降，并在2007-2009年度达到第二个高潮，对其的研究关注度具有一定的间断性；激光器的研究在早期较为突出，在后期关注热度一般；光电探测器在早期和后期均有一定的研究，但在中间时段出现空缺；光电子纳米线、纳米结构、纳米棒、纳米晶体和纳米粒子器件等的研究基本呈现出一致的状态，均是在近5年出现较高的研究热度。4.2研究热点二：薄膜器件及技术
薄膜技术是研制新材料、新结构的重要方法之一，用该技术制作的材料具有优良的光电性能、钝化性能以及抗水渗透性能等，主要用来充当绝缘层、各种敏感膜层，具有很高的硬度和较强的化学稳定性。在光电子器件中，薄膜的使用非常普遍，因此对其的研究进展也是学者们关注的热点。近年来国际上在薄膜器件及技术方面的研究主要集中在：薄膜的制备与生长，尤其是利用分子束外延技术和化学气相沉积技术制作薄膜；薄膜的光致发光、电致发光特性、光电发射特性等；有机薄膜晶体管的制作和应用等[5]。在12年间，薄膜的生长特性研究一直具有较高的关注度；分子束外延技术比化学气相沉积技术具有更高的关注度；光电子薄膜中光致发光的研究呈现出下降的趋势，而电致发光的研究在近5年重新复燃；薄膜光电发射特性的研究呈现出波浪式趋势；薄膜晶体管为近3年的研究热点。
4.3研究热点三：聚合物与光伏器件
有机聚合物材料由于其具有快速响应的性能和容易加工等优点，对于集成光电子器件的制备来说是非常有吸引力的。近年来国际上在此方向上的研究热点主要集中在：聚合物电光调制器阵列、含金属（合金）共轭聚合物、聚合物的形貌优化以及共轭聚合物光伏材料研究等。近年来由于能源危机的日趋严重，其中聚合物光伏材料已经成为国内外研究的重中之重，主要包括光伏电池和太阳能电池，目前研究和开发的太阳能电池有单晶硅、多晶硅、无定型硅、单晶GaAs等[6-8]。统计动态图谱中各热点词的中心性值变化情况，得出结果为：2003-2005年间是光电子器件领域研究的低潮。对于聚合物器件来说，共轭聚合物和聚合物电光调制器阵列在后期一直处于较高的研究热度；聚合物形貌优化研究在2005-2007年间达到最高点；合金共轭聚合物的研究热度稍有起伏；对于聚合物光伏材料来说，光伏电池和太阳能电池及其光电转化效率的研究基本同步，同时在2006-2010年间达到较高的研究热度；硅材料与砷化镓材料相对来说，研究热度处于较低水平。
参照Erten等人的做法，将以上研究热点的发展趋势分为三类：研究热点主题、逐渐过时的主题和快速发展的主题[9]，见表3。
5结论与建议
本文提出一种动态观测技术科学研究方法，较好地展示了技术热点演变过程，得到了相关电子领域专家的基本认可，对光电子器件领域研究趋势的观测结论和建议如下：
⑴在光电子器件领域的研究中，从国家/地区层面上可以看出，中国虽然SCI论文发表总量排名位于前3名，但其论文篇均被引频次却低于世界平均水平，中国在国家层面上未能在核心电子器件研究领域起到核心作用。其主要原因是起步基础较为薄弱。目前，中国正处于国家中长期科技发展规划纲要实施的初步阶段，我们需要从现有基础出发，进一步增强自身科研实力，重视原始创新，提高论文影响力。论文"量不在多，重在核心"。
⑵光电子器件领域的主要研究方向有3个，分别为：纳米光电子器件及技术、薄膜器件及技术、聚合物与光伏器件。每个研究方向中研究热点的发展趋势又分为三类：研究热点主题、逐渐过时的主题和快速发展的主题。"研究热点主题"依然是目前阶段研究热点，需国家科研机构和相关学者持续关注与研究其相关技术；"逐渐过时的主题"经历了一个由热到冷的发展阶段，说明其技术已发展成熟或被其他技术所取代，已不再是目前的研究热点，可不再继续关注；"快速发展的主题"是目前和今后阶段的研究热点与前沿，能够引领该领域的研究热潮，需重点关注。
[参考文献]
[1]ChenC.CiteSpaceⅡ：Detectingandvisualizingemergingtrendsandtransientpatternsinliterature[J].JASIST.2006，57（3）：359-377.
[2]彭英才.纳米光电子器件[M].北京：科学出版社.2010：12-16.
[3]FermínLuisCapitán-Vallvey，JPalmaAlberto.Recentdevelopmentsinhandheldandportableoptosensing-Areview[J].AnalyticaChimicaACTA，2011，696（1-2）：27-46.
[4]CROUSED.Numericalmodelingandelectromagneticresonantmodesincomplexgratingstructuresandoptoelectronicdeviceapplications[J].ElectronDevices，IEEETransactionson，2005，52（11）：2323-2365.
[5]SENDAT，CHOYJ，HIRAKAWAT.Developmentoffull-colordisplaycombinedwithultraviolet-electroluminescencephotoluminescencemultilayeredthinfilms[J].JapaneseJournalofAppliedPhysicsPart1-REGULARPapersShortNotes&ReviewPapers，2000，39（8）：4716-4720.
[6]ENGELM，SMALLJP，STEINERM，etal.ThinFilmNanotubeTransistorsBasedonSelf-Assembled，Aligned，SemiconductingCarbonNanotubeArrays[J].ACSNANO，2008，2（12）：2445-2452.
[7]MAYERT，WEILERU，KELTINGC，etal.Silicon-organicpigmentmaterialhybridsforphotovoltaicapplication[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2007，91（20）：1873-1886.
[8]MARR?NDF，C?NOVASE，LEVYMY，etal.Optoelectronicevaluationofthenanostructuringapproachtochalcopyrite-basedintermediatebandmaterials[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2010，94（11）：1912-1918.
[9]ErtenC，HardingPJ.KobourovSG，eta1.Exploringthecomputingliteratureusingtemporalgraphvisualization[J].TheoryofComputingSystems，2003，38（3）：313-327.