基于數(shù)據(jù)可視化軟件的量子點研究現(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)害防護國家重點實驗室 北京 102205）

1 引言

量子點又稱納米晶、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］，因此對量子點的研究現(xiàn)狀進行綜合分析，有助于把握量子點當(dāng)前和未來的研究重點和研究方向。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，對個別文獻解剖多，對海量文獻概括少。

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)量子點領(lǐng)域相關(guān)文獻，將文獻批量導(dǎo)出，數(shù)量越多，最后的分析結(jié)果越準(zhǔn)確。再將文獻導(dǎo)入Endnote 文獻管理軟件中，再通過Endnote 導(dǎo)出文獻，使得文獻導(dǎo)出格式符合可視化軟件導(dǎo)入文獻的格式要求，通過選擇共獻、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，對量子點的發(fā)文數(shù)量及關(guān)鍵事件進行了歷史趨勢分析，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)量進行了歷史趨勢及對比研究，二者也進行了相互驗證。

通過AMiner 科技情報挖掘平臺，對關(guān)鍵詞“量子點”進行分析，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，達到1215 篇，表明量子點研究內(nèi)容的不斷深化、范圍的不斷擴大的總體趨勢，參見圖1。

圖1 量子點研究趨勢

在量子點不斷深化的研究過程中，有以下典型的研究節(jié)點和典型事件。

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)研究量子點的早期經(jīng)典之作［2］。

1998 年P(guān).Alivisatos 等將量子點用于纖維原細胞標(biāo)記，從此揭開量子點作為熒光探針應(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 年量子點有非常重要的研究進展，如Burda 團隊在本年度，首先闡釋了量子點作為光敏劑的發(fā)展?jié)摿Γ?］，其他團隊也進行了相關(guān)研究。同年，中科院與香港城市大學(xué)的聯(lián)合研究團隊發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點，這種量子點可高效產(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)藥研究機構(gòu)將量子點材料應(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，大大拓展了量子點發(fā)光二極管（QLED）的應(yīng)用前景。

2012 年，量子點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銫鉛鹵化物鈣鈦礦量子點，鈣鈦礦量子點成為新興的研究熱點，這種量子點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、期刊，并進行中外期刊在量子點方面研究的特點對比。

圖2 中文期刊年發(fā)刊數(shù)量柱狀圖

圖2 為以“量子點”“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，有凸點出現(xiàn)，印證了該年度量子點的突破性研究進展。

圖3 為以“量子點”“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發(fā)光器件，將有機材料和高效發(fā)光的無機量子點納米晶結(jié)合在一起產(chǎn)生擁有新型結(jié)構(gòu)的量子點發(fā)光器件［8］，也是在該年，美國首次將量子點投入商業(yè)化應(yīng)用。

通過圖2、圖3對比，美國量子點研究論文的發(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 量子點研究的關(guān)鍵問題與重點方向分析

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

1992 年～2004 年，近12 年，量子點相關(guān)領(lǐng)域研究都以半導(dǎo)體量子點、半導(dǎo)體、光致發(fā)光三個領(lǐng)域和方向為主。

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

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

與此同時，碳量子點與石墨烯量子點逐漸進入人們視線，碳量子點領(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量子點領(lǐng)域成為了最熱門的研究領(lǐng)域。

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

碳量子點具有優(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，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］。

石墨烯量子點內(nèi)部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應(yīng)特別顯著，具有許多獨特的性質(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。但是由于碳量子點在制備過程中容易團聚，形成大小不均勻的量子點嚴重影響其光學(xué)性質(zhì)，而石墨烯量子點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)計碳量子點及石墨烯量子點的制備合成工藝將在未來幾年有著更深入的研究。

圖4 量子點領(lǐng)域研究方向分布圖

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

圖5 量子點光譜領(lǐng)域密度圖

我們又以“量子點”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)：

我國量子點領(lǐng)域比較熱門的研究方向為碳量子點、石墨烯量子點、熒光。美國的熱門方向為光致發(fā)光、石墨烯量子點、熒光。由于美國研究量子點較我國早20 年，因此我們也可借鑒美國經(jīng)驗，將光致發(fā)光作為未來重點突破方向。

接下來我們通過一年內(nèi)的國內(nèi)外期刊對量子點領(lǐng)域進行相關(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”為中心詞，其他詞與“量子點”的相關(guān)度越高，則在圖中與“量子點”的距離越近；反之，與“量子點”的距離相對較遠。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，促進量子點領(lǐng)域科研發(fā)展，提高我國的科技競爭力。

圖6（a） 國外量子點領(lǐng)域相關(guān)詞云分析

圖6（b） 國內(nèi)量子點領(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 量子點研究的權(quán)威作者與權(quán)威機構(gòu)分析

通過中國知網(wǎng)，以“量子點”為關(guān)鍵字檢索文獻，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，通過VOSviewer 共著可視化分析，如圖9。可以看出該領(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 量子點領(lǐng)域國內(nèi)外期刊近一年相關(guān)性分析

圖8（a） 量子點領(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，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)從事量子點光譜方向的研究，可對作者blundell.s.a、kapaldo.j、oktyabrsky.s、merz，j.i進行深入了解，如果有與研究量子點光譜儀相關(guān)的作者，可對其研究成果、發(fā)表論文進行后續(xù)跟進，如圖10所示。

圖10 量子點光譜相關(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 量子點領(lǐng)域英文期刊作者分析

圖12 量子點領(lǐng)域作者cunzhuTong相關(guān)信息

通過此處雷達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)系人進行追蹤，實時獲取其發(fā)布論文、期刊等信息。

在研究機構(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，以量子點光譜為關(guān)鍵詞搜索中文期刊，通過重點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 量子點相關(guān)領(lǐng)域相關(guān)機構(gòu)發(fā)文圖

通過中國工程科技知識中心，以量子點為關(guān)鍵字做工程領(lǐng)域可視化分析，得到圖14 相關(guān)機構(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)精密機械與物理研究所激發(fā)態(tài)物理重點實驗室”、“內(nèi)蒙古大學(xué)物理與機電學(xué)院”發(fā)表文獻最多，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)從事量子點研究方面的權(quán)威機構(gòu)，我們可以對其研究動態(tài)進行重點關(guān)注。

5 結(jié)語

本文通過一系列的研究分析，推測量子點未來將朝著石墨烯量子點、碳量子點的合成與運用以及光致發(fā)光方向發(fā)展，量子點領(lǐng)域相關(guān)權(quán)威專家有徐淑坤、王麗萍、zadiranov.yu.m.等，量子點領(lǐng)域權(quán)威機構(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，文庫收錄的文獻不夠全面，因此對專家的權(quán)威性的認定不一定十分精準(zhǔn)，后期可通過更細致的篩查研究確定。