基于CiteSpace文献计量法的石墨烯研究文献可视化图谱分析

基于CiteSpace文献计量法的石墨烯研究文献可视化图谱分析

作者：樊一阳 许京京

来源：《现代情报》2015年第08期

〔摘要〕本文运用CiteSpace信息可视化软件，以2009-2013年石墨烯研究与应用领域近6万篇文献为基础，对石墨烯研究文献进行了可视化处理。从文献计量角度，对石墨烯研究的国家、学科、研究机构、基金资助状况等热点分布和共引文献及研究前沿等信息的可视化图谱进行了分析。并对近年来国内外石墨烯研究和应用领域的文献信息进行了比较分析。 〔关键词〕石墨烯；CiteSpace；文献计量；可视化图谱 DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2015.08.017

〔中图分类号〕G250252〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821（2015）08-0081-11 石墨烯是一种由碳原子组成的单层碳原子二维晶体，所有碳原子以正六角型呈蜂巢晶格状排列，其单原子纳米结构使其成为目前世上最薄、最坚硬、强度最大的纳米材料。石墨烯几乎完全透明却又可以被轻易弯折，拥有电学、光学、化学等卓越性能，因此应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，可被应用于超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，它或将成为更薄、导电速度更快的新一代电子元件、高速晶体管、高灵敏传感器的核心材料。另外由于石墨烯透明、良好的导电性，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯作为石墨（及后来的碳纳米管）的基本结构单元在理论上已被研究长达60余年[3]。Columbia University（哥伦比亚大学）的Philip Kim[4]和University of Texas at Aus tin（德克萨斯大学奥斯汀分校）的Rodney Rouff[5-6]都曾对石墨剥离薄层石墨片进行过研究，薄层石墨已有多处报道，很可惜都未得到单层石墨烯。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim（安德烈·海姆）和Konstantin Novoselov（康斯坦丁·诺沃肖洛夫），在实验中利用普通胶带从石墨中成功地分离出石墨烯。二人于2010年10月4日，以“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年“诺贝尔物理学奖”[7]。自2004年石墨烯这一材料被发现以来，激发了全球范围内的石墨烯研发热潮。全世界科学家都在探究它在各个领域中的应用，有关研究和新闻未曾间断。石墨烯材料及其相关技术成为了研究人员们关注的热点。 自2004年以来尤其是2009年之后石墨烯相关文献出现一个研究热潮激增现象。国内外许多学者多从石墨烯的制备、特性等方面研究，而从文献计量学角度研究较少。中国科学技术信息研究所的王丽[8]从文献入手利用TDA软件做了石墨烯研究前沿分析但主要聚焦于中国发展

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态势分析，李阳[9]等人对国际石墨烯进行了分析，但基于研究时间较早，当时文献数量相对较少。

为了解目前全球石墨烯的研究现状及研究趋势，本文通过利用文献计量学方法，以Web of Science数据库收录的与石墨烯相关的近六万篇文献为研究对象，借助信息可视化软件CiteSpace对其进行可视化图谱分析，以期能够揭示石墨烯研究的热点国家、机构、学科分布情况以及研究发展的现状、热点及趋势前沿，为相关研究提供一定的参考依据。 1分析方法及数据收集 11软件介绍

文献计量学是以文献为研究对象，借住文献的各种特征，采用数学与统计学的方法来描述、评价和预测某专业学科的现状与发展趋势[10]。CiteSpace 是由美国德雷塞尔大学（Drexel）信息科学与技术学院陈超美教授与大连理工大学WISE实验室联合开发的信息可视化软件，是用来分析和可视共引网络的Java应用程序[11]，近年来被广泛用于文献引文网络分析。

CiteSpace是一款知识图谱可视化分析的软件。基于从题目（Title）、摘要（Abstract）、检索词（Descriptors）和突现词（burst terms）确定研究前沿（research fronts），分析学科研究前沿随时间的变化趋势及研究前沿与其知识基础（Intellecture base）间的关系，发现不同研究前沿间的内部联系。CiteSpace在对某一学科或领域进行分析时，通过文献共被引分析（Cited Reference），关键词共现分析等可绘制出学科领域的可视化科学知识图谱，并可生成强调研究前沿和其知识基础间的顺时模式时区视图（Timezone View） 探讨其前沿热点及其演化过程。通过对文献的可视化呈现，能直观地辨识出学科前沿的演化路径及经典基础文献[11-12]。利用CiteSpace寻找学科领域的研究现状、进展、前沿及其对应的知识基础，研究人员可从科学文献中识别并发现该领域的发展新趋势和新动态。 12数据收集

本文分析数据来源于Web of Science中的Web of ScienceTM核心合集数据库。登陆Web of Science主页，基本检索中输入主题词“graphene”进行检索。收集数据时为了得到最新的文献发表数据量，对所有的文献量进行了统计，并且又分年份做了相关统计。至收集数据时，Web of Science中共收录石墨烯相关研究文献达8万多篇。为得到石墨烯最新的研究热点，且由于收集数据时2014年的文献还不能得到完整的数据量，因此设定时间跨度为200911-20131231。进而再进行精炼检索，选择“Web of Science TM Core Collection”数据库，检索结果为52 478条文献记录，对检索数据进行标记后进入Web of ScienceTM核心合集整理检索结果，选择带参考文献的全著录格式，以“download.txt”为文件名下载并存储为纯文本格式。检索时间为2014年10月11日。

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13分析方法

本文利用Excel软件对2009-2013年的文献数量进行统计分析，以呈现石墨烯研究相关文献发表数量随时间的变化趋势。然后通过文献计量法中的信息可视化软件Citespace对研究文献的热点国家、研究机构、学科分布以及共引文献和前沿等进行分析。

将下载的以“download.txt”为文件名的数据导入Citespace，时间划分（Time Slicing）设置为从2009-2013年，时间切片（Years Per Slice）设置为1年，术语来源（Term Source）勾选为标题（Title）、摘要（Abstract）、著者（DE）、关键字（Keywords）。词类型（Term Type）、节点类型（Node Types）、连线（Links）、阈值调谐（Thresholding）、算法分析（Pruning）、可视化视图（Visualization）等按照所要分析的时间、国家、机构、学科、关键热词、被引文献等角度进行相应的勾选，就可生成石墨烯研究文献的可视化知识图谱，进而通过图谱对石墨烯领域的研究现状及前沿进行分析。 2结果分析

21石墨烯研究文献发表情况

在Web of Science中检索文献最早的是从1950年开始的，但关于石墨烯研究文献是直到1990年之后才开始出现的，并且在2004年之前有关石墨烯研究的文献非常少，尤其是2000年之前每年的研究文献发表量都在百篇以下，2001年才首次突破百篇，但数量依然不多，因此对2002-2014年的石墨烯研究文献发表量做了统计（如图1）。在2004年之前，总体文献量都比较少，文献发表情况变化不大。直到2004年，Andre Geim（安德烈·海姆）和Konstantin Novoselov（康斯坦丁·诺沃肖洛夫），在实验中用一种简单易行的方式成功分离出石墨烯之后，在学术界掀起了一股研究热潮，石墨烯的研究文献开始逐年增多，呈现上升趋势。2009年之后，尤其是2010年“诺贝尔物理学奖”以“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由[7]，颁给了在石墨烯材料方面有卓越贡献的两位科学家后，石墨烯发表文献量开始呈现一种爆炸性的激增态势，说明近年来石墨烯的的研究已经成为爆炸性的热点研究。图1Web of Science核心集收录的石墨烯研究文献发表情况 22石墨烯研究文献的国家分布分析

CiteSpace的节点类型（Node Types）选择国家（Country），设置阈值，绘制出相关的可视化知识图谱。根据结果分析形成的图谱（图2），国家之间的连线代表合作关系；连线粗细代表合作密度，合作越多，线越粗；连线的颜色代表合作年代。该知识网络图谱共由92个节点（Nodes）和38条连线（Links）组成，图中每个节点都表示1个国家，由图谱可以清晰地看到文献在全球分布很广，52 478篇石墨烯研究文献主要分布于全球92个国家。此外可看出，节点间的连线不是很密集，说明国家相互之间合作还不是很多，目前石墨烯研究中各个国家的研究相对比较独立。图2石墨烯文献研究国家分布图谱1

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从石墨烯相关研究文献的热点国家发表的文献数量统计结果进行分析（如表1），其中发文量最多的是中国和美国，分别是10 865篇和7 197篇，占到总数的2070%和13%，其次是韩国、日本、德国，研究文献数量排名前四的国家研究文献数量22 418，占到发表文献总数的4272%。而发表文献数量排名前十的国家文献数量约占总数的5551%。

54在分析Citespace可视化软件生成的图谱中，定义中介中心性大于或等于01的节点为关键节点。一个节点的中介中心性是指网络中所有的最短路径中经过该节点的数量，是网络中节点在整体网络中所起连接作用大小的度量。一个节点的中介中心性越高，说明它在网络中最短路径上出现的越多，其影响力和重要程度越大[13-14]。分析文献发表热点国家知识图谱，按中介中心性进行统计，排名前三的分别是比利时、英国、加拿大（图3）。说明欧盟成员国之间的研究相互影响比较大。图3石墨烯文献研究国家分布图谱2

通过分析CiteSpace软件绘制的Timeline视图可以清晰地显示石墨烯研究随时间的研究进展，欧洲是石墨烯的诞生地，欧盟对石墨烯的研究范围和影响非常广泛。美国、韩国、日本紧随其后开展了多项石墨烯研究项目，而中国近年来在石墨烯研究领域的文献贡献量及专利申请量已超越美国，位居世界首位，成为石墨烯研究领域中重要力量。2012年之后，许多国家随着热潮迅速加入到石墨烯研究中，石墨烯领域的研究力量还在不断壮大。

综上可知，目前从事石墨烯研究的国家遍布全球，研究分布非常广泛，但国家间合作很分散，还没形成全球的合作网络，有若干研究团体形式存在，主要以欧盟为主。从文献发表频次上看，中国、美国文献发表数量明显大于其他国家，说明中国、美国已经处于石墨烯研究的前沿阵地，韩国、日本、德国也是石墨烯研究领域的主要国家。但是从中介中心性方面分析可得，比利时的中心度最高，占核心地位，其次是英国和加拿大。中国虽在此文献发表量上遥遥领先，但在研究深度和影响力方面还有很大欠缺，在石墨烯的研究领域中还不能占主导地位。 23石墨烯研究文献的学科分布

节点类型（Node Types）选择学科（Category），阈值选择为（1，1，10）（2，2，15）（3，3，20），选择最短路径算法（Pathfinder）运行数据。由CiteSpace软件分析处理后绘制出由72个节点和102条连线组成的石墨烯研究领域学科分布状况的可视化图谱（图4）。图谱中可看出有不少明显的关键节点，并且节点之间相互连接，每个节点代表一个学科，节点之间的连线表示相互之间的关系。可得石墨烯的相关文献研究延伸到多达72个学科，且学科之间相互渗透联系。

从石墨烯研究文献的各个学科发表的文献数量统计结果可得（表2），在石墨烯研究文献中，物理学（Physics）相关研究文献发表量达13 860篇，占到全部发表文献的2641%，处于核心位置。其次是化学（Chemistry）相关研图4石墨烯文献研究学科分布ClusterView图谱 究文献发表量10 985篇，材料科学（Material Science）相关文献发表量9 733篇，分别占到全部文献发表量的2093%和1855%。从文献发表数量上看，在石墨烯的相关文献研究学科

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中，以物理学（Physics）、化学（Chemistry）、材料科学（Material Science）为核心，主要延伸至纳米科学与技术（Nanoscience & Nanotechnology）、工程学（Engineering）、电化学（Electrochemistry）、光学（Optics）、能源与燃料学（Energy & Fuels）、高分子科学（Polymer Science）等学科领域。说明石墨烯在未来的发展中，应用领域非常广泛，与各学科的交互性很强。

由于关键节点在整体网络中起着重要的连接作用，其影响力和重要性比较大，在Citespace可视化软件生成的图谱中选取中介中心性大于或等于01的关键节点（表3），通过中介中心性进行对比分析，排名靠前的学科有：能源与燃料、农业、生物物理学、生物技术和应用微生物、工程学、环境科学、食品科技、细胞生物学、物理学、材料科学、纳米技术、计算机科学等。对比表2发现这些学科中有的学科文献发表量不是很多，但是中心性很高，说明其在石墨烯研究的学术知识扩散和知识共享趋势中，能吸收其他学科中的石墨烯已有技术优势进行学科发展，利用新技术进行学科攻关，在学科延伸渗透中起着重要的连接作用。

结合石墨烯文献研究热点学科生成的时区视图（图5），综合分析可得2009-2013年间物理学、化学、材料科学、纳米技术、燃料能源等基础性学科一直是石墨烯研究的热点学科领域，从这些学科向其他学科进行渗透延伸。说明目前在整个石墨烯发展的研究中主要还是集中于基础研究与应用上，大部分的研究还是处于微观层面上的研究，进一步的大规模制备改进及量产化实用研究还有巨大研究价值和发展潜力。已经有研究相对深入的学科所延伸至的学科的价值和发展潜力还有待进一步挖掘。 24石墨烯研究热点机构分布

节点类型（Node Types）选择国家（institution），设置阈值，可由CiteSpace软件生成石墨烯研究的机构合作可视化图谱。所得图谱与从事石墨烯相关研究的国家合作关系图谱非常类似（图略），分析可得参与石墨烯相关研究的机构在全球同样呈现一种分布广泛，但机构之间的相互合作关系不强的态势。机构之间的合作关系以国家科学研究院与高校之间的合作居多，同时存在企业与高校之间的合作形式。各个高校及科研院所在整个石墨烯的研究中发挥着重要作用，推动着石墨烯领域的发展进程。

由于本文是从石墨烯的发表文献方面入手研究，因此所得分析结果中高校和科研院所在发文量和影响力方面占据着绝对优势。而从目前石墨烯的研究机构合作情况看，从事石墨烯研究的机构是比较广泛的，不仅包含了学术研究机构（高校、科研院所），还涉及了企业、政府及一些个人。为更好的分析石墨烯研究的热点机构，本文结合了专利申请的情况进行进一步分析（表4）。从研究机构专利申请的数量上看，前十名中有4家机构来自中国，4家来自韩国，2家来自美国。再从机构性质上看，从专利角度分析时有6家机构都是科研院所或高校，4家为企业，依然是高校及科研院所在石墨烯研究中占的比重较大。说明目前石墨烯的研究多数还是处于实验室研究状态。但企业在石墨烯应用进程中的作用不可忽略，其专利申请所占比例也是相当大的，说明目前不小比例的石墨烯研究已经趋于成熟。另外，申请专利数量最多的是韩国

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三星电子，其专利申请量多达210个，占全球总量的73%，其研究范围涵盖了石墨烯制备方法和在显示屏、 锂电池等领域的应用；其次为韩国成均馆大学、浙江大学、IBM、清华大学等。 通过石墨烯研究热点机构的可视化视图分析，结合专利的全球申请情况，目前在石墨烯研究领域中，中国、韩国、美国、日本在文献发表数量和专利申请数量方面都处于全球的领军行列，说明这几个国家的研发和产业化水平都相对靠前，占据着石墨烯研究领域的高地。通过石墨烯研究机构间的相互合作关系分析，在石墨烯的研究过程中科研院所与高校的合作所占比例较高，但在石墨烯应用进程中更普遍的研究模式是学术研究机构与企业机构的合作，比较典型的就是韩国成均馆大学与韩国三星电子的合作，共同成立实验室对石墨烯的制备基础方法和应用合作开展研究。而通过CiteSpace软件绘制的可视化聚类图谱对主要研究机构的重点研究领域进一步分析，可得目前的重点研究集中方向，其大致分布于复合材料、碳纳米管、传感器、晶体管等基础应用方面。

25石墨烯研究基金资助状况分析

节点类型（Node Types）选择基金（grant），设置阈值，选择最短路径算法（Pathfinder），绘制石墨烯研究基金资助状况可视化分析图谱。

由于CiteSpace软件分析统计的结果中，识别英文基金名字时简称和全称识别为两个不同的基金，本文在进行统计分析时将同一基金的简称和全程进行了合并统计。全球有关石墨烯研究的资助状况如表5。全球石墨烯研究领域内投入数量最多的前十大基金分别是：NSF美国国家科学基金会、NSFC国家自然科学基金委员会、DFG德国科学基金会、DOE美国能源部基金、ONR美国海军研究局基金、RFBR俄罗斯基础研究基金会、EPSRC英国工程与自然科学研究基金、Ministry of Education Science and Technology韩国科技教育部基金、MICINN（Spain） 西班牙政府行政管理体制基金、EU欧洲联盟基金。资金资助最多的很明显是美国，资助基金项目在全球前十大项目中占到3个，而数量更是遥遥领先，说明美国近几年来对石墨烯领域研究的极高重视，也说明石墨烯在未来国家发展中可能引起的极大影响力。紧随其后的就是中国、德国、俄罗斯、英国、韩国、西班牙、欧盟。

由CiteSpace软件生成的石墨烯相关研究资助情况聚类图（图6），包含了706个节点和584条连线，生成聚类多达270个，大的聚类包含20多个。由706个节点代表的资助项目可知，在全球范围内，有关石墨烯研究的资助项目数量非常多，目前此方面的研究投入巨大且研究异常火热。而生成的多达270个聚簇数量，也说明相关研究涉及的项目类别丰富，涵盖领域广泛。

从CiteSpace软件生成的可视化TimeLine知识图谱中（图7、图8）可以清晰地看到基金项目多是2009年发起，排名前十的资助基金都是从2009年开始就已经开始投入，在接下来的几年间也保持着持续投入的状态，2010年、2011年一些新的资助项目持续增加，2013年开始新增资助项目已经明显减少。

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结合图6、图7、图8可直观的得到排名靠前的聚类分别是：graphene石墨烯、DNA、heterojunctions异质结、Oxide氧化物、Greens-function格林函数、conduction传导性、lowest energy-states最低能态、fluctuations波动性、carbon material碳材料、nanopores纳米孔、d-2、phonon-scattering声子散射、flavor symmetry-breaking味对称性破坏、Selenide硒、quantum theory量子理论、introducing directionality导入定向、uric-acid尿酸、eye diagram眼图、wave basis-set波基集、film影片等，这些聚类可推测出全球各个国家机构投入的资助基金聚焦的研究方向和领域，进一步可分析得到哪些领域更加有研究价值和发展潜力。 26石墨烯研究共引参考文献及前沿分析

节点类型（Node Types）选择共词（term）、关键词（keyword）和共引参考文献（Cited Reference），设置相关阈值，选择最短路径算法（Pathfinder）绘制可视化网络图谱（图9）。该可视化图谱是将海量文献进行研究方向归类的文献共引分析图，及关键词共词共现网络分析图，由80个节点和76条连线组成。通过共现网络生成的聚类分析图，可展现当前石墨烯领域研究的知识前沿和知识基础的合并网络结构，寻找研究进程中的研究热点及其发展变化。图9石墨烯研究共引参考文献及前沿分析图谱

由CiteSpace软件运行的结果可分析得到高共引参考文献分布（表6），通过分析被引频次高的文献可以得出石墨烯研究领域的热点，但是由于科研文献的引用关系还要受到作者社会关系、期刊类别、影响因子等因素影响，因此只按引用频次进行分析会有一定偏差。 通过对中心度（中介中心性）分析，参考图谱中的中心度较大的关键节点文献（表7），可以更客观的了解热门的研究主题。对比两个表可以发现，中心度较高的文献多数被引用的频次也较高。通过分析Novoselov KS在2004年发表的文献，Geim AK在2007发表的文献，及Sankovich S于2006年发表的文献等高中心度文献，可以发现之前石墨烯的研究集中于碳、纳米材料等制备出石墨烯的初级研究阶段，其影响力较强，从中可以得到石墨烯研究领域的知识基础。

近年来石墨烯领域研究突飞猛进，可通过CiteSpace软件生成的聚类图追踪研究进程中的研究热点及其发展变化。图10展示出了2009-2013年间共词的变化情况，图中每个#号表示1个聚类，从图中可看到9个大的聚类，可从中推断当前石墨烯研究领域的主要热点和基本的研究主题。从图中可知最近几年（2012-2013年）石墨烯的研究热点主要集中在high-quality graphene nanoribbon（高质量石墨烯纳米带）与light-emitting source（发光光源）而2011年以及以前主要研究热词为signal amplification strategy（信号放大策略）、methanol electro-exidation（甲醇电氧化）、freestanding graphene device（独立式石墨烯设备）、green function method（格林函数方法）、bedt-ttf（电荷转移复合物）、graphene multilayer（多层石墨烯）、polyacrylate coating（聚丙烯酸酯涂层）。而根据时间轴图谱呈现的结果，这些热点大致保持一种持续的状态，2009-2011年间研究热点不断增加，近两年热点增幅减小，但是更深层次的石墨烯研究热点开始出现，说明前几年热点问题仍然会是石墨烯研究领域的主要研究方向，在此

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基础上石墨烯研究依然在向新的领域拓展，也在向更深层次的应用上探索。图10石墨烯研究共引参考文献及前沿分析 3结论

本文利用CiteSpace文献计量法等软件对2009-2013年Web of Science收录的与石墨烯相关的科技期刊和相关的文献进行了分析，结果表明： 31研究文献发表数量

从文献发表数量来看，关于石墨烯的研究2009年之后，相关文献发表量开始呈现一种爆炸性的增长态势，说明近年来石墨烯的研究已经成为爆炸性的热点研究。 32研究文献来源热点国家分布

从文献国家分布来看，从事石墨烯相关研究的国家分布广泛，相互间合作不强仍然没有形成全球合作网络，合作关系较密切的以欧盟成员国为主。我国虽然发表论文量高，但是影响力却有很大欠缺，在相关领域还不能占主导地位。 33研究学科分布

从研究学科分布来看，石墨烯主要应用于物理学领域，其次是化学领域。目前主要的关于石墨烯的研究仍然集中在基础研究与应用上。 34热点研究机构及基金资助情况分布

从研究机构与基金资助情况来看，中国、韩国、美国、日本在文献发表数量和专利申请数量方面都处于全球的领军行列，而美国与中国在基金资助方面是最多的。全球范围内石墨烯的研究领域非常广泛。

35共引参考文献及前沿分析

从共引参考文献来看，2012年之后的研究热点有了比较大的转向，开始向更深层次的研究迈进。

通过对比分析，可以看出石墨烯的相关性研究正在向多元化，深层化的研究方向迈进。我国关于石墨烯的研究虽然影响力欠缺，但是总体发展状况良好。希望本文能给从事相关研究的人员带来一些启示，促进石墨烯研究更好的发展。 参考文献

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