纳米电子科学和技术是纳米科学与技术的核心。从人类传统概念的自上而下的制造观而言,它是微电子学发展的自然延伸;而从费曼的自下而上的原子组装观而言,它又是在全新概念上构建量子结构、量子器件、量子电路和量子系统的新领域。纳米电子学能够突破传统极限,开发物质潜在的信息和结构潜力,显著提高单位体积物质的存储和处理信息的能力,实现信息采集和信息处理能力的革命性突破。基于纳米电子学在信息技术等领域的重要作用,美国、欧盟、德国、日本均制定了纳米电子技术的发展规划并部署了项目。我国从20世纪末进行纳米电子学的研究,数次将纳米电子学作为纳米科学与技术的重点研发领域。在各国政策的推动下,1990年代至今世界纳米电子学得以快速发展。

中国在此领域的研究状况、与国际水平之间的差距是亟待了解的问题。科学论文是科学研究成果最主要的载体之一,采用文献计量学的方法,借助文献的各种特征的数量,可以定量测量国与国之间在科学规模、科学生产力方面的差异,评价科学研究的现状和预测发展趋势。本文尝试运用文献计量学的方法对纳米电子学近10年（2009–2018年）的数据进行分析。以Web of Science的SCIE（Science Citation Index Expanded）数据库为数据源进行检索¹（¹ 检索式：(“nano electronic*” or “nanoelectronic*” or “nano optoelectronic*” or “nanooptoelectronic*”),数据检索时间：2018年12月10日,文中检索到的2018年的数据没有包含2018-12-11至2018-12-31的数据。）,通过数据分析工具DDA（Derwent Data Analyzer）对该领域论文的研究主体以及研究方向等特征进行综合分析和讨论,期望为我国纳米电子学政策的制定和完善,提供具有一定参考价值的科学依据。

2009–2018年,世界纳米电子学研究的SCI论文共5 391篇,2018年（703篇）的发文量是2009年（398篇）的1.8倍,10年间发文量呈稳定增长态势。总体来看,纳米电子学研究是一个日益活跃的研究领域,研究成果的产出稳定增长（图1）。

2009–2018年,纳米电子学SCI论文排名前10位的国家为：中国、美国、德国、印度、韩国、法国、日本、伊朗、英国、意大利。这10个国家的SCI论文数量占世界纳米电子学SCI论文总量的61.8%,其中,中国和美国分别占比30.8%和27.9%,以较大的数量优势领先于其他国家。中国纳米电子学SCI论文数量增长速度较快,2009–2013年间年度发文量尚低于美国,而2014–2018年间年度发文量已高于美国,2018年的发文量（281篇）是2009年（77篇）的3.6倍（图2,表1）。

对2009–2018年纳米电子学SCI论文排名前10位的国家进行论文学术影响力的比较分析（表2）。本文使用常用的篇均被引次数这一引文指标反映学术影响力,比较了在2009–2013年和2014–2018年两个时间区间前10位国家的学术影响力的变化情况。2009–2013年,在论文数量排名前10位的国家中,中国的篇均被引次数低于世界平均水平,世界排名第6位,低于英国、法国、美国、德国、日本;2014–2018年,中国的篇均被引次数排名有所提高,世界排名第5位,低于美国、意大利、德国、日本,高于世界平均篇均被引次数。值得注意的是,美国的篇均被引次数获得了很大程度的提高,由2009–2013年的第3位提升为2014–2018年的世界第1位。

Web of Science将其收录的每一份期刊和书籍分别指定了某个或者某些学科类别,使用DDA分析时,可以利用Web of Science类别字段统计论文所属的学科类别,Web of Science类别字段已经被应用于学科交叉或者跨学科研究,可以用得出的学科类别了解纳米电子学的研究内容。2009–2018年,中国在纳米电子学领域有51篇高被引论文,美国有96篇。从总量上看,美国的高被引论文数量多于中国。从学科类别看,两国在“材料科学,跨学科”领域均发表较多的论文。表3显示,美国在“化学,物理”、“纳米科学和技术”、“物理学,应用”领域的高被引论文数量均多于“化学,跨学科”这一领域;而中国则是 “化学,跨学科”领域的高被引论文数量多于“纳米科学和纳米技术”、“化学,物理”、“物理学,应用”等领域。

我们尝试从论文发表的学术期刊角度继续挖掘“化学,跨学科”、“化学,物理”这两个类别的研究内容是否存在明显的不同。对中国在“化学,跨学科”和美国在“化学,物理”领域的高被引论文的学术期刊进行统计和比较,二者的学术期刊名称均包含纳米、材料、化学、物理等关键词。中国的学术期刊包含了：（1）纳米：Nano Letters、ACS Nano、Nano Today、Nanoscale;（2）材料：Advanced Functional Materials、Advanced Materials;（3）化学：Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical Society、Accounts of Chemical Research、Angewandte Chemie-International Edition（表4）。其中包含“化学”关键词的期刊上发表的论文题目有：“Chemical vapour deposition of group-VIB metal dichalcogenide monolayers: Engineered substrates from amorphous to single crystalline”、“Phonon and Raman scattering of two-dimensional transition metal dichalcogenides from monolayer, multilayer to bulk material”、“Two-dimensional transition metal dichalcogenides: interface and defect engineering” 、“Growth of alloy MoS_2xSe_2(1-x) nanosheets with fully tunable chemical compositions and optical properties”、“Large-area synthesis of high-quality uniform few-layer MoTe₂”、“Micro- and nanocrystals of organic semiconductors”、“Semiconducting group 15 monolayers: A broad range of band gaps and high carrier mobilities”。通过人工判读的方式,标出能够表示每个标题研究内容的主要词汇,并用加黑字体表示。可以看到,除了“chemical vapour deposition”和“synthesis MoTe₂”这些明显属于化学学科的词汇外,还有“growth of alloy MoS_2xSe_2(1-x) nanosheets”、“band gaps” 和“carrier mobilities”的属于物理研究范畴的词汇。通过对美国的学术期刊的关键词的判读,也发现了纳米、材料、化学的关键词（表4）。对含有“化学”关键词的学术期刊的标题使用同样的方法进行人工判读,在标题：“Advances in top-down and bottom-up surface nanofabrication: Techniques, applications & future prospects”、“One-dimensional nanostructures of pi-Conjugated molecular systems: Assembly, properties, and applications from photovoltaics, sensors, and nanophotonics to nanoelectronics”、“Bilayer phosphorene: Effect of stacking order on bandgap and its potential applications in thin-film solar cells”中,发现了“nanostructures”、“stacking order on bandgap”这些属于物理研究范畴的词汇。基于上述分析,我们可以认为中国在“化学,跨学科”和美国在“化学,物理”领域的高被引论文的研究内容同时包含了化学和物理的研究内容。

基于上述分析,中国和美国的高被引论文在研究内容的分布上并无大的不同。为了实现中国在纳米电子学领域持续提升高被引论文数量的目标,研究人员应继续在高水平学术期刊上发表更多与纳米电子学相关的纳米、材料、化学、物理等研究内容的文章,逐步缩小与美国的差距。

纳米电子学SCI论文排名前10位国家的合作情况如图3所示,节点的大小表示国家发文量的多少,节点之间连线的粗细代表国家之间合作产出的论文数量,连线越粗表示合作产出论文数量越多。在论文数量排名前10位的国家中,与中国合作最多的国家是美国（合作论文数量279篇,占中国论文数量的16.8%）,其次为德国和日本（合作论文数量均为55篇,占中国论文数量均为2.7%）。美国的主要合作国家为中国（两国合作论文数量占美国论文数量的18.6%）,其次为韩国和德国（合作论文数量分别为69篇、55篇,分别占美国论文数量的4.6%、3.7%）。印度、伊朗与其他国家合作较少（表5）。

使用Web of Science类别字段对上述五对合作关系（中-美、中-德、中-日、美-韩、美-德）的论文进行分类,选取了合作论文数量大于或等于20篇的论文,发现这五对合作关系的Web of Science类别均包含“材料科学,跨学科”、“物理学,应用”,且在“材料科学,跨学科”类别的合作论文数量是最多的。其中,中国的国际合作关系中,中-美合作论文的Web of Science类别较多,还包含“化学,物理”、“化学,跨学科”、“物理学,凝聚态物质”等类别。美国的国际合作关系中,除了美-中广泛的合作关系外,美-韩的合作领域也较为广泛,包含“纳米科学和纳米技术” 、“化学,物理”、“化学,跨学科”等领域（表6）。

为提升中国纳米电子学的国际影响力,未来是否可以进一步加强与美国的合作,同时拓展与德国的合作,是值得思考的一个问题。

2009–2018年,纳米电子学SCI论文数量排名前10位的机构为：中国科学院、北京大学、法国国家科学中心、新加坡南洋理工大学、伊朗伊斯兰阿扎德大学、清华大学、普渡大学、南京大学、新加坡国立大学、哈佛大学。中国的研究机构有4个,新加坡和美国各2个,法国和伊朗各1个。中国科学院该领域的SCI论文数量以较大优势领先于其他9个机构（表7）。

对2009–2018年纳米电子学SCI论文排名前10位的机构进行论文学术影响力的比较分析（表7）。同样采用篇均被引频次这一指标,分2009–2013年和2014–2018年两个时间区间来看上述10个机构的学术影响力的变化。2009–2013年,学术影响力排名前5位的机构依次为哈佛大学、法国国家科学中心、清华大学、新加坡国立大学、南洋理工大学;2014–2018年,学术影响力排名前5位的机构依次为南洋理工大学、哈佛大学、中国科学院、北京大学、法国国家科学中心。

纳米电子学SCI论文数量排名前10位研究机构的合作情况如图4和表8所示。中国科学院与来自中国、新加坡和美国的7个机构开展合作,合作发表论文54篇,其中与北京大学合作发表的论文数量（23篇）最多。北京大学与来自中国、法国、新加坡和美国的6个机构开展合作,合作论文数量35篇。

在论文数量排名前10位的机构中,基于2014–2018年间的篇均被引次数,哈佛大学、法国国家科学中心、新加坡南洋理工大学均具有较高的学术影响力。目前,中国科学院和北京大学的合作方主要是国内机构,未来是否可以通过与具有较高学术影响力的国外机构加强合作来提升其学术影响力,是值得思考的一个问题。

本文使用关键词的词频统计的方式,将2009–2018年的论文分为2009–2013年和2014–2018年两个时间区间,分析纳米电子学的材料研究的主题演变。

使用DDA数据清理功能的通用清理模块对合并后的关键词字段（KEY WORDS PLUS 字段与作者关键词字段合并）进行清理。获得了13 239个关键词,选择了论文记录数量大于50的关键词155个,包含论文数量5 052篇,占纳米电子学论文总数量的93.7%,假设这些记录能够代表纳米电子学全部论文。从这155个关键词中选择出能够代表纳米电子学材料研究的关键词。选择的依据是该关键词能够明确代表材料本身,没有选取包含范围过宽的词汇,如nanomaterials等。同时,由于包含诸如MoS₂以及MONOLAYER MoS₂等不同层次的、具有包含关系的关键词,本文将这些词汇按照层次的高低进行关键词的排列。最后所选择的纳米电子学材料方面的关键词如表9所示,论文总数3 316篇。需要指出的是,这部分所采用的关键词词频统计的方法仅对较为常用的关键词进行特征统计,对于同一主题的并不常用的关键词可能会有所遗漏。

近5年（2014–2018）,纳米电子学的材料研究增长趋势最明显的有黑磷、硅烯、六方氮化硼、过渡金属二盐类、单层二硫化钼。其具体特征在于,2009–2013年间,仅有少量研究以这些词汇作为关键词,而在2014–2018年间,含有这些关键词的论文数量增长了几十倍（表9）。此外,（1）相比于氧化物、金属和晶体,半导体的研究增长幅度较大,达到234%。（2）砷化镓和硅是两种研究较多的半导体材料,砷化镓的研究保持增长的状态,而涉及硅的研究有所减少,但是下降比例不明显（–4.8%）。（3）非金属物质中,石墨烯、氮化硼和二硫化钼的研究得到了加强,尤其是二硫化钼,相比于上一个5年（2009–2013）,近5年（2014–2018）的增长比例为955%;另外,石墨烯的增长比例是213.2%。而相比于碳纳米管、硅纳米线、半导体纳米线等研究论文数量负增长的材料,石墨烯纳米带和外延石墨烯的研究论文数量具有较高的增长比例,分别为56.8%和25%。（4）纳米片结构的研究论文数量相比于纳米线、纳米粒子、纳米带等增长幅度较大（365.5%）。

本文从国家、机构和主题的角度对纳米电子学的发展情况进行了分析。国家分析部分的基础是发文数量排名,对排名前10位的国家的篇均被引次数、高被引论文数量和所属类别、国际合作情况进行了分析。机构分析的基础是机构的论文数量排名,对排名前10位的机构进行了篇均被引次数和合作情况的分析。本文还分析了纳米电子学的材料研究的主题演变情况。

上述分析的目的是找出中国的纳米电子学研究在世界上的位置及与先进国家的差距,并对提升差距的着力点进行了探讨。基于本文的定量分析,可以看到,2009–2018年,中国的纳米电子学研究呈现增长趋势,不仅论文数量在增加,学术影响力也在提升。本文尝试基于纳米电子学高被引论文找出中国与美国在研究方向分布上的区别,基于Web of Science类别（材料、化学、纳米等大的分类）,本文发现中国的高被引论文数量在这些研究类别上均与美国存在一定差距。合作被普遍认为是提升学科发展的一条重要途径,本文通过国际合作分析找出SCI论文数量排名前10位国家的合作论文数量和合作领域,发现中国与美国的合作数量和领域均较多,与德国的合作次之,未来是否可以通过拓展与德国的合作发展该学科,是值得思考的一个问题。机构分析也给出了一些关于提升机构学术影响力的启示。基于材料关键词的文献数量比例大、材料研究的关键词较易判别的特征,我们选择了能够表示材料的关键词对材料研究的主题演变进行研究,找到了2009–2013年和2014–2018年两个时间区间的主题演变特征。这一特征可以从较为宏观的角度给纳米电子学的材料研究提供“画像”。

本文定量分析的方法还存在待改进之处。（1）本文是基于Web of Science类别对高被引论文的研究内容以及纳米电子学的国际合作领域进行统计和分析,由于Web of Science类别自身的特征,并不能满足依据纳米电子学特有的分类（例如材料、器件、加工、表征等）提出发展建议的需求,所以有待纳米电子学领域的研究人员与情报分析人员共同进行深入探索,找到符合纳米电子学学科特点的可以进行计量分析的学科分类。（2）在纳米电子学材料研究的主题趋势分析中,本文采用的是关键词词频的统计。在选择出具有代表性的关键词的基础上,该方法能够较为直观地给出主题的变化,便于分析,因而该方法对关键词的选择提出了较高的要求,对庞大的关键词列表进行清理、选择的方法有待深入研究,对关键词选择方法进行评价的方法也有待深入研究。