国际稀土研究的科学知识图谱分析 | [PDF全文] |
稀土被誉为“工业维生素”.近年来,在国防、军工领域的广泛应用使得稀土成为一种极其重要的国家战略性资源.作为世界上稀土储量最多的国家,我国的稀土产业是具有比较优势的特色产业,也是为数不多的在国际上具有重要地位和较大影响的产业之一.稀土元素因具有无法替代的光、电、磁、超导、催化活性等优异性能,能够改变产品性能,增加产品品种,提高生产效率,在石油化工、冶金、军事、玻璃、陶瓷等领域得到广泛应用.但是,我国稀土行业仍然存在着秩序混乱、产能过剩、大量廉价出口、创新不足等各种问题,尤其是拥有自主知识产权的技术创新不足,严重制约我国稀土产业的发展.鉴于此,从科学计量学方法出发,借助科学引文索引数据库WoS中的文献数据,利用知识图谱分析软件对国际稀土研究领域进行可视化分析,并结合我国稀土研究的特点和现状,具体分析稀土研究的知识基础、研究前沿和研究趋势,希望有助于以后我国稀土产业技术创新的研究与发展.
1 数据来源与研究方法利用高级检索表达式TS=“rare earth”,对WoS核心合集数据库进行高级主题检索,时间跨度范围为1985-2015年,检索语言为“English”,文献类型为“Article”,检索文章总数为58 967篇,在来源出版物中选择载文量排名前10的出版物(Journal of Alloys and Compounds, Physical Review B等,如图 1所示),精炼后文献总数为14 030篇,数据最后更新时间为2016年5月23日.
依据科学计量学方法,主要借助软件VOSviewer与Sci2工具包对国际稀土研究领域进行可视化分析. VOSviewer[1]是荷兰莱顿大学Van Eck与Waltman团队研发的一款主要用于科学文献计量网络分析的软件.在最新的VOSviewer 1.6.4版本中,可以基于.net、.mat、.txt等文件构建共现网络、引文网络与耦合网络. Sci2工具包(又称Sci2 Tool)[2]是美国印第安纳大学布鲁明顿分校图书馆与信息科学学院开发的一款专门用于研究科学学的软件工具包. Sci2工具包可以加载多种不同格式的数据,用户也可根据需要编写定制化算法,嵌入分析功能插件. Sci2工具包可以进行共现分析、引文分析、耦合分析和突现检测分析等,并可以采取多种可视化算法来绘制网络知识图谱.
以关系作为分析单元的社会网络分析方法已经广泛应用于许多学科领域.社会网络分析是一种以社会网络中活动者之间的关系作为基本单位,对网络中活动者之间的关系数据进行实证分析的研究方法. “社会网络”指的是社会活动者与其关系的集合,也就是说一个社会网络是由不同的个体结点组成的集合[3].
在科学计量学中,施引文献形成某个领域的研究前沿,而被引文献组成某个领域的知识基础.文献共被引分析是对两篇文献被一篇或多篇文献同时引用的次数进行统计,以此来对这些被引文献进行网络分析和聚类分析,从而分析这些文献所代表的某个学科的知识基础.
关键词共现分析即统计一组关键词在同一篇文章中共同出现的次数,以此为基础对这些关键词进行网络分析与聚类分析,来揭示某个学科或研究领域的知识结构和研究前沿.
突现检测分析考虑到关键词的词频变化,识别出某一时间段研究主题中具有突然增长特性的关键词,可以用来研究某个研究主题的发展状态,探测某个研究领域的研究趋势.
2 国际稀土研究的科学计量分析 2.1 载文时序分布利用Sci2工具包数据库功能中的统计功能,统计出WoS数据库中载文量排名前10的期刊中论文总数量、参考文献数量、单一作者数量以及作者关键词的数量.如图 2所示,虽然稀土研究领域所有统计属性均有震荡变化,但总体呈不断增长的趋势.
2.2 国家/机构的载文分布
如图 3所示,1985-2015年间载文量排名前10的期刊中,中国以3 314篇论文稳居首位,其次是美国以2 263篇排名第2,接下来依次是法国1 885篇,日本1 534篇.如图 4所示,发文量最多的机构排名前3的依次是中国科学院(Chinese Academy of Sciences),法国国家科学研究中心(Centre National De La Rechercher Scienctifique CNRS)和波兰科学院(Polish Academy of Sciences),发文量分别为873篇,438篇和429篇.
2.3 文献共被引分析:稀土研究知识基础
1973年,Small提出文献共被引分析的概念[4],并于1977年进一步对文献共被引进行深入分析[5].文献共被引分析是从参考文献的角度出发,研究两篇被引文献之间的关系.如果文献A和文献B同时被文献C引用,那么文献A和文献B之间构成共被引分析.共被引关系的强度即文献共引的次数. 1994年,Pearson基于1986-1990年间《美国信息科学学会会刊》上发表的文章进行文献计量分析.他提出,从文献计量学的角度来看,参考文献中的被引文献组成某个研究领域的知识基础[6],即某个研究领域的知识基础也就是被引文献共被引关系形成的共被引关系网络.利用VOSviewer软件对关于稀土研究的文献数据做文献共被引分析,得到文献共被引聚类密度图谱,如图 5所示.对稀土研究各个研究主题进行聚类,同一聚类在研究主题上具有较大的相似性. 图 5中不同的区域代表不同的聚类,1区聚类的密度最大,2区次之,3区聚类的密度最小.密度的大小即文献共被引的权重,文献共被引的权重即两篇参考文献共同被引用的次数.考虑到可视化效果,VOSviewer软件隐藏了重叠标签,但可以在items选项中查看所有标签选项.以下将对重点文献展开分析.
如图 5所示,聚类1为中间1区聚类,聚类1中密度最大的文献是1962年Judd在Physical Review上发表的《Optical Aborption Intensities of Rare-Earth Ions》一文,共现的权重是2 330,其次是Ofelt于1962年在Journal of Chemical Physics上发表的《Intensities of Crystal Spectra of Rare-Earth Ions》,共现的权重为2 316.这两篇文章都研究了稀土离子在固体中的光谱性质.在离子和原子状态下,4f”组内各种状态的宇称是相同的,但在固体中,原4f”组态内的状态不再是单一宇称态,而是两种宇称的混合态,使得在固体中f”组态内的电偶极跃迁才成为可能[7].而Judd与Oflet几乎同时发表了这方面的理论成果,因此该理论被称为“JO光谱学理论”.现在“JO光谱学理论”已经成为稀土光谱学研究中的重要理论.
聚类2为下方2区聚类,聚类2中密度最大的文献是1967年Weber在Physical Review上发表的《Probabities for Radiative and Nonradiative Decay of Er3+ in LaF3》一文,共现的权重为542. Weber发现辐射和非辐射衰变率可以由计算LaF3自发辐射率和寿命测量中Er3+的几个激发状态决定.通过比较计算出的总辐射寿命和观察寿命值,确定来自9个不同激发状态的非辐射衰变率.对应自发辐射和5个声子的非辐射跃迁速率的发现给LaF3中稀土荧光状态的寿命做出显著贡献[8].该文献为Er3+以及其他稀土离子共掺的相关研究奠定了理论基础.
聚类3为上方3区聚类,聚类3中密度最大的文献是1976年Buschow在Reports on Progress in Physics上发表的《Intermetallic Compounds of Rare-Earth and 3D Trandsition-Metals》一文,共现的权重为152. Buschow研究由稀土元素和3D过渡金属组成的金属间化合物的物理性质、构成和晶体结构[9].该文献是各种关于金属间化合物特性相关研究的重要理论基础.金属间化合物由于其独特的优异性能,可用于研制各种新型材料.文献共被引网络中部分重要文献如表 1所列.
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2.4 关键词共现分析:稀土研究前沿
在科学计量学研究中常常利用关键词共现分析来研究某个领域或某个学科的研究热点或研究前沿.关键词共现分析的基本原理就是通过分析关键词与关键词之间的共现网络关系来研究文献中关键词共现次数的关联强度.关键词共现分析可以用于分析某个研究领域的内部组成关系及其结构,也可以用于揭示某一学科的研究前沿.提取WoS数据库中的作者原始关键词(Original keywords)作为分析单元,利用VOSviewer软件对全部作者关键词进行共现网络分析,得到关键词共现网络密度图谱,如图 6所示,可以看出国际稀土研究的前沿主题主要形成5个聚类.同一聚类中的关键词在研究主题上具有更大相似性.结合我国稀土研究的特点和现状,以下将分别对5个聚类进行深入分析.
聚类1:稀土发光材料.聚类1为右边1区聚类,聚类1中共现次数较高的关键词有rare earth(稀土)、luminescence(发光)、photoluminescence(光致发光)、optical properties(光学性质)、optical spectroscopy(光谱学)、optical materials(光学材料)、Judd-Ofelt theory(JO光谱学理论)和phosphor(荧光粉)等,从共现次数较高的关键词可以看出,关于稀土发光材料的研究是稀土功能材料研究中的一个重要领域.稀土发光是基于稀土离子的4 f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁而产生的光辐射.因激发方式不同,发光可区分为光致发光、电致发光、X射线发光[10].从稀土红色荧光粉(Y2O3:Eu3+)产生以来,发光材料,主要是荧光粉,已发展成为节能照明、信息显示、光电检测等领域的重要材料之一[11].在关于稀土发光材料的研究中,关于荧光粉的研究不胜枚举.杨志平等[12]制备K2ZnSiO4:Eu3+红色荧光粉并对其发光性能进行研究.王铁卓等[13]对KLa(MoO4)2:Sm3+红色荧光粉的温度特性进行分析.张莉等[14]研究Sr3B2O6:Eu3+, Li+荧光粉的合成与发光性能.敬小龙等[15]研究Ba5(PO4)3Cl:Eu2+荧光粉的制备和发光性能.
聚类2:稀土永磁材料.聚类2为左下角2区聚类,聚类2中出现频次较高的关键词有magnetic-properties(磁性)、neutron diffracion(中子衍射)、magnetization(磁化)、magnetic anisotropy(磁各向异性)、magnetic structure(磁结构)、magnetic susceptibility(磁化率)、mechanical property(力学性质)、magnetosriction(磁弹性)和permanent magnet(永久磁铁)等.稀土永磁材料是指将钐、钕混合稀土金属与过渡金属(如钴、铁等)组成的合金经过一定的特殊工艺制成的磁性材料[16].稀土永磁材料主要包括稀土分钐钴(SmCo)永磁材料和钕铁硼(NdFeB)永磁材料. 20世纪初,市场上主要的永磁材料有碳钢、钨钢、铬钢和钴钢. 20世纪30年代末,铝镍钴(AlNiCo)新型永磁材料开发成功,20世纪50年代,出现成本较低,应用范围更广的钡铁氧体永磁材料. 20世纪60年代,又出现新型稀土钴永磁材料.既1967年出现的第一代SmCo5永磁体,到第二代Sm2Co17永磁体之后,目前使用最多最广泛的则是第三代NdFeB永磁材料.稀土永磁材料作为一种极其重要的稀土功能材料,已经广泛应用在能源、交通、机械和计算机等重要高端领域.当前稀土永磁产业已经成为我国稀土产业中极其重要的领域.
聚类3:稀土储氢材料.聚类3为左上角3区聚类,聚类3中出现频次较高的关键词有hydrogen absorbing materials(储氢材料)、magnetic measurements(磁性测量)、magnetically ordered materials(磁有序材料)、metal hydrides(金属氢化物)、rare earth alloys and compounds(稀土合金及其化合物)与transitiona metal compounds(过渡金属化合物)等.储氢材料(或者贮氢材料)就是作为氢的贮存于运输媒体而成为当前材料研究的一个热点项目.储氢材料是在通常条件下能可逆地大量吸收和放出氢气的特种金属材料.在稀土金属中加入某些第二种金属形成合金,能够在较低温度下也可吸放氢气,通常将这种合金称为稀土储氢合金[17].稀土储氢材料主要有LaNi5型储氢合金和LaMgNi系储氢合金. LaNi5型储氢电极合金已于20世纪90年代在日本和中国实现产业化.稀土储氢材料最大的应用市场为镍氢电池.随着新能源汽车的市场需求快速增长,储氢合金的发展也会迎来一个新的高峰.关于储氢材料的研究,张怀伟等[18]对稀土元素在储氢材料中的应用进展进行综述研究.孔繁清等[19]对稀土储氢电极材料的应用发展情况进行研究,总结了稀土储氢电极材料在小型二次电池、混合动力汽车动力源、低自动放电镍氢电池、低成本镍氢电池、超级镍氢电池以及双极性镍氢电池中的应用.潘仕林[20]分析碳基储氢材料研究与应用,介绍碳基纳米管储氢材料,并综述单壁碳纳米管、多壁碳纳米管的研究现状和储氢能力.马义[21]从金属氰化物、金属氮氢化合物以及金属配位氰化物几个方面,对储氢材料在高能固体火箭推进剂在分解推进剂组分、改善燃烧性能等作用进行分析,并对其在推进剂中的实际应用及发展前景进行阐述.
聚类4:稀土化合物.聚类4为中间4区聚类,聚类4中出现频次较高的关键词有crystal structure(晶体结构)、crystal growth(晶体成长)、X-ray diffraction(X射线衍射)、thermal analysis(热分析)、rare earth element(稀土元素)、rare earth alloy(稀土合金)、rare earth compound(稀土化合物)、X-ray powder diffraction(X射线粉末衍射)和intermetallic compounds(金属间化合物)等.稀土功能材料中只有少数可以直接使用稀土金属,大多数主要使用的是稀土元素的化合物.在稀土化合物中,合成最多、应用最广泛的是稀土氧化物和稀土复合氧化物,因为稀土元素与氧的亲和力非常强.其次为卤化物和复合卤化物,因为它们是制备其他稀土化合物和稀土金属的原料.其次为硫化物、氮化物、硼化物和稀土配合物.龙志奇等[22]在国际精细化工原料及中间市场研讨会上详细梳理我国稀土化合物产业,总结了我国稀土化合物的应用产品主要包括稀土无机盐类、稀土氧化物与稀土氢氧化物、稀土抛光粉、特殊物理性能的稀土化合物、复合稀土化合物和稀土有机化合物.顾保江等[23]从我国稀土资源特点出发,对我国稀土化合物产业进行综述研究.他介绍了我国稀土化合物的主要生产工艺和企业状况、单一或混合稀土化合物、特殊物理性能的稀土化合物和复合稀土化合物等稀土化合物产品的生产、研发及应用情况,并预测我国稀土化合物产业的发展趋势,最后提出我国应在稀土化合物领域强化应用产品的研究与开发.
聚类5:化学合成法.聚类5为中间5区聚类,聚类5中出现频次较高的关键词有chemical synthesis(化学合成法).稀土研究中常用到的化学合成法包括传统的高温固相反应法、软化学合成法(溶胶-凝胶法、低温燃烧法、水热合成法、缓冲溶液沉淀法)和物理合成法(微波辐射合成法,CO2激光加热气相沉积合成法)等[24].
2.5 突现检测分析:稀土研究趋势2002年,Kleinberg最先提出突现检测算法(Burst Detection Algorithm),突现检测算法考虑关键词词频变化密度,来识别文献中具有高集中性、高密度特征的词,即具有突然增长特性的词[25].突现检测算法可以用来探测某一研究领域中研究主题词在使用频次上的突然增长,可以应用到作者、引文、关键词等.当对作者原始关键词进行突现检测时,可以得到每个突现关键词的突现权重,突现开始年份和突现结束年份,以此来分析稀土研究趋势的变化.采用作者原始关键词,利用Sci2工具包的突现检测分析功能,对WoS数据库中下载的14 030条数据记录进行作者原始关键词突现检测分析,设置参数Gemma为2,Density Scaling为2,Burst Length为1,Burst State为1,得到稀土研究领域相关的突现关键词135个,突现年份跨度为1995-2015年.在所有的突现关键词中,稀土化合物的突现值最大,为199.54,JO光谱分析理论参数的突现值最小,为6.99,突现长度最大值为9,最小值为1.考虑到可视化效果,按突现权重大小,将突现值最大的前30个关键词进行可视化分析,如图 7所示.
最早出现的突现关键词是magnetic properties(磁性).在1995-2000年间,突现关键词几乎都与magnetic properties(磁性)、magnetization(磁化)和magnetic structure(磁结构)等相关.现代科学研究中认为物质的磁性源自于构成物质中原子的磁性,而且宇宙中任何物质都具有磁性,只是有的物质磁性强,有的物质磁性弱.物质的强磁性就是来源于物质的磁有序[26].磁性物质的磁性主要有抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性.稀土永磁材料是稀土功能材料中应用最多的材料之一,稀土永磁材料之所以具有优异性能主要是由于它们主要组成原子的磁性质,因此关于稀土原子的磁性研究一直以来是稀土研究领域的重点.
在2000-2005年间,主要的突现关键词有magnetically ordered materials(磁有序材料)、optical properties(光学性质)、magnetic measurements(磁性测量)、phase diagram(相态图)和rare earth alloys(稀土合金)等.在这一时期,主要的研究趋势是关于稀土元素磁结构和磁性测量的研究,其中最突出的是关于磁有序结构以及磁有序材料的研究.磁有序,是物质强磁性的主要来源.稀土元素中能满足磁有序条件的元素只有铁族(3 d族)、稀土族(4 f族)和锕族(5 f)中的部分元素,如Fe、Co、Ni、Gd、Cm等[27].
在2005-2009年间,主要的突现关键词有X-ray powder diffraction(X射线粉末衍射)、chalcogenides(硫属化合物)、luminescence(发光)和antiferromagnetic materials(反铁磁性材料). X射线衍射现象指的是X射线与晶体相遇时发生的衍射现象.任何一种晶体的固体化合物都有一套独特的X射线衍射图,X射线粉末衍射图则是关于晶体粉末样品的衍射图.伴随着现代测试技术的提高,多晶X射线衍射仪已经成为一种常用的测试仪器.反铁磁性物质主要指的是一些过渡元素的氧化物、卤化物和硫化物,如FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS,其中MnO是被发现的第一个反铁磁性物质.
在2009-2015年,主要的突现关键词有chemical synthesis(化学合成法)、Erbium(铒)、Europium(铕)、magnetic measurements(磁性测量)、magnetocaloric effect(磁热效应)、phosphor(荧光粉)、rare earth compounds(稀土化合物)、energy transfer(能量转移)、electronic structure(电子结构)和magnetization(磁化).铒主要用于制造掺铒光纤放大器和医用激光材料中. Er3+添加到玻璃种可制成激光玻璃,还可以用作稀土上转换激光材料的激活离子.关于稀土离子在纳米材料和超导材料等新型材料中的研究是这一时期的研究趋势.磁性测量就是直接或间接地测量原子的磁矩,如何测量稀土元素极其化合物的磁性也是这一时期的研究重点.磁热效应(MCE)则指的是用热力学的主要理论来探究磁介质的热力学性质.
3 结论与展望利用科学计量学方法中的科学知识图谱分析方法,立足于文献共被引网络与关键词共现网络视角,利用社会网络分析软件VOSviewer与Sci2工具包,从文献共被引网络密度图谱、关键词共现网络密度图谱、突现检测分析方面,对1985-2015年国际稀土研究的科学知识图谱进行多角度与互补性分析,主要研究结论如下:
1)载文量平稳增长,说明稀土研究在全球学术研究领域发展平稳.从国家分布来看,中国、美国、法国的研究从文章数量上位居前列.从研究机构来看,中国科学院、法国国家科学研究中心、波兰科学院、莫斯科国立大学和日本东北大学等机构的研究产出较多.
2)利用VOSviewer软件绘制文献共被引网络密度图谱,分析稀土研究领域的知识基础,发现稀土研究领域的重要文献形成3个聚类, 其中,共被引次数最高的3篇文献分别为Judd和Ofelt于1962年发表的关于光谱学理论的两篇文献以及Weber于1967年发表的关于LaF3中Er3+的辐射和非辐射衰变概率研究的文献.
3)利用VOSviewer软件绘制关键词共现网络密度图谱,分析稀土研究前沿,发现稀土研究的前沿主题主要形成5个聚类,分别是关于稀土发光材料(rare earth luminescence material)、稀土永磁材料(rare earth permanent magnetic material)、稀土储氢材料(rare earth hydrogen absorbing materials)、稀土化合物(rare earth compounds)和化学合成法(chemical synthesis).
4)利用Sci2工具包中的突现检测分析探索稀土研究趋势,突现年份区间1995-2015之间主要的突现关键词有rare earth compounds(稀土化合物)、phosphor(荧光粉)、magnetic properties(磁性)、luminescence(发光)、anti-ferromagnetic materials(反铁磁性材料)和chemical synthesis(化学合成法)等方面.
在后续研究中可以进一步分析有关稀土产业的专利数据,更加深入得了解稀土产业技术创新的研究与发展.
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