二维材料研究领域发展态势分析——基于美国国家科学基金会项目资助数据的研究☆

沈湘; 王丽; 魏钟鸣; 姜向伟

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002

科学观察 ›› 2021, Vol. 16 ›› Issue (6) :1-5 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002

研究论文

二维材料研究领域发展态势分析——基于美国国家科学基金会项目资助数据的研究^☆

沈湘 ¹ ,
王丽 ¹^,² ,
魏钟鸣 ³ ,
姜向伟 ⁴^,^*

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Development Trend of 2D Materials Research Domain Based on National Science Foundation Funded Projects

Shen Xiang ¹ ,
Wang Li ¹^,² ,
Wei Zhongming ³ ,
Jiang Xiangwei ⁴^,^*

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摘要

石墨烯等二维材料被认为是用于更薄计算机芯片的最大希望之一,有望使电子器件延续甚至超越“摩尔定律”。该文基于美国国家科学基金会（NSF）的项目资助数据,从项目数量、资助金额、学科方向、研究机构、主要研究人员、研究热点和新兴主题演进脉络等方面,运用文献计量学和文本挖掘技术研究美国在二维材料这一前沿研究领域的发展演变历程以及当前研究热点。研究发现：石墨烯是二维材料领域主要资助主题,非石墨烯相关资助项目自2014年以来明显增加;NSF石墨烯类二维材料重点资助研究主题是廉价、稳定、高效的石墨烯电极制造方法、凝聚态物理等电子理论研究以及石墨烯在传感和检测方面的应用,非石墨烯类二维材料重点资助研究主题是新兴信息技术的理论研究、新二维材料的合成方法、器件的制造工具和大规模生产;NSF二维材料资助项目正从材料制备、物理性能发展到器件制造和工业应用;NSF二维材料资助项目重视跨领域整合研究和下一代人才教育。该文为二维材料领域的科研人员和科研管理人员进行研究布局提供了一些决策参考。

Abstract

As computer chips are developing smaller and more compact driven by industry, graphene and other two-dimensional materials are considered to be one of the greatest candidates, and enable electronic devices to extend or surpass Moore's law. Compared to other scientific literatures such as journal papers and patents, funded projects are more time-sensitive, prospective, and strategic, and National Science Foundation (NSF) is currently one of the most representative and influential science funding agency in the world. Based on NSF funded project data, this paper studies the development trend of two-dimensional materials research domain by using bibliometrics and text analysis methods. The analysis conclusions include: graphene related funded projects are dominant compared with non-graphene related two-dimensional materials funded projects, the non-graphene related funded projects have increased obviously since 2014; the research priorities of graphene and non-graphene related two-dimensional materials are not identical, and graphene related funded projects focus on low cost, stable and efficient fabrication of electrodes, electron theory study of condensed matter physics and high performance applications in sensors and detection, while non-graphene related funded projects focus on theoretical research of novel information technology, synthesis methods, manufacturing tools and mass production of materials and devices; the two-dimensional material research topics are developing from material preparation and physical properties to device fabrication and industrial application; in addition, NSF funded project in two-dimensional materials field also focuses on cross-domain integration research and next-generation talents education. This paper provides some insights for two-dimensional materials involved basic research and frontier science management.

Graphical abstract

关键词

二维材料 / 石墨烯 / 发展态势 / 文献计量 / 文本挖掘 / VOSviewer

Key words

two-dimensional (2D) materials / graphene / development trend / bibliometrics / text mining / VOSviewer

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沈湘, 王丽, 魏钟鸣, 姜向伟. 二维材料研究领域发展态势分析——基于美国国家科学基金会项目资助数据的研究^☆[J]. 科学观察, 2021, 16(6): 1-5 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002

Shen Xiang, Wang Li, Wei Zhongming, Jiang Xiangwei. Development Trend of 2D Materials Research Domain Based on National Science Foundation Funded Projects[J]. Science Focus, 2021, 16(6): 1-5 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002

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1 引言

“摩尔定律”作为一条黄金规则已支配半导体集成电路产业发展了半个多世纪。因传统电子元器件的物理尺寸已接近极限,石墨烯等新兴二维材料被认为可部分取代传统硅材料、成为“后摩尔时代”计算机芯片的最大希望之一,可能使电子器件延续甚至超越“摩尔定律”^[1,2,3]。2016年世界经济论坛将二维材料列为十大新兴技术之一。二维材料家族涵盖了绝缘体、半导体、金属和超导体,展现出许多不同于三维材料的新奇物性,是近年来材料科学和凝聚态物理学的研究前沿。掌握二维材料基础研究领域研究热点的演化路径,预测未来的总体走势,加强重点科学领域部署,通过重点科学突破带动技术创新,抢抓战略发展机遇,是当前我国基础研究发展规划和推进过程中需要考虑的重要问题。

和论文、专利等科技文献相比,基金资助数据更具有时效性、前瞻性和战略性^[4]。美国国家科学基金会（National Science Foundation,NSF）是目前世界上最具代表性和影响力的国家级科学项目资助机构,其投资布局和资助内容^{[4,5,6,7,8,9,10,11,12]}、资助体制^[13,14]、绩效评价^[15,16]和职能演变^[17]引发了国内外学者广泛的研究兴趣。其中,张磊等通过合并题目和摘要等题录信息,借助文本分析软件VantagePoint进行自然语言处理,运用“主题词簇”方法体系来实现以定量方法为主、定性方法为辅的主题词清洗、合并与聚类方案,基于NSF资助的石墨烯基金项目进行了研究热点分析^[4];Kurczynski P采用自动文献评估和深度文献解读相结合的方法,研究了NSF先进技术和仪器资助项目及其对天文学和社会的影响^[7];常旭华等分析研究了NSF的科研项目精细化过程管理^[13];华薇娜等^[15]和沈新尹^[16]对NSF的绩效评估方法进行了思考;樊春良^[17]探讨了NSF公共和社会服务职能。

为瞄准世界科学研究前沿,强化基础科学研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果的重大突破,本文基于NSF项目数据以及文献计量学和知识图谱的理论、方法,利用VOSViewer的文本挖掘功能和Excel的数据查找对比功能,首次全面分析二维材料前沿研究领域的研究热点和演化路径,并得到一些有价值的发现,可用于支撑我国研究人员和管理人员把握当前二维材料研究领域的发展趋势,有效评估研究内容的新颖性和重要性。

2 数据来源与分析方法

基于NSF资助项目数据库“Awards Advanced Search”进行检索,勾选“Active Awards”和“Expired Awards”选项,以two dimensional materials、two dimensional crystals、two dimensional layers、two dimensional semiconductors、2D semiconductors、transition metal dichalcogenides、transition metal halides、silicene、MXenes、phosphorene、hexagonal boron nitride和graphene等二维材料相关研究主题作为检索关键词,进行标题和摘要检索,对数据以Excel格式导出并进行合并、去重处理后,共得到有史以来的资助项目信息1 417项,检索时间为2020年12月8日。其中, 石墨烯相关资助项目1 084项,其他非石墨烯类二维材料相关资助项目333项。

本文基于文献计量学、文本挖掘和知识图谱的理论、方法和技术,利用Excel从资助项目数、资助金额、资助学科、资助机构、主要资助研究人员、研究热点和新兴主题演进脉络进行统计分析以及结果可视化;并将Excel表格中的内容转换成VOSviewer可分析的WoS格式的文本文件,用VOSviewer提供的文本挖掘技术提取WoS格式文件中题名和摘要主题词,进行主题词聚类分析。

3 二维材料研究态势分析

3.1 项目数量和资助金额分析

1961年,NSF资助伊利诺伊大学香槟分校1.9万美元开展过渡金属卤化物能级研究（Energy Levels of Transition Metal Halides）。1970年,NSF再次资助普渡大学2.63万美元开展低氧化态的过渡金属卤化物和氧卤化物研究（Transition Metal Halides and Oxyhalides in Low Oxidation States）。这两项有关过渡金属卤化物的资助研究未见公开提及“二维材料”信息。1974年,NSF资助华盛顿州立大学11.34万美元开展一维和二维过渡金属卤化物复合物的结构对磁性和光谱性能的影响研究（Investigation of Structural, Magnetic & Spectroscopic Properties of Polynuclear & One- & Two-Dimensional Transition Metal Halide Complexes）,提及“一维”和“二维”复合物概念。

2004年,英国曼彻斯特大学Novoselov KS和Geim AK成功获得单层石墨烯并提出“二维材料（two-dimensional (2D) material）”概念^[18],单层石墨烯独特而优越的性能在全球范围内掀起了关于二维材料的研究热潮^{[1-3, 19-23]}。Novoselov KS和Geim AK也因此重要发现在2010年获得诺贝尔物理学奖。受此影响,NSF资助的项目数量自2006年开始呈现明显的增长趋势,并在2015年达到历史最高值;资助金额上,1995年为100万美元,2003年达到200万美元,2006年起呈现明显增长趋势,并于2018年达到峰值17 553.7万美元（图1）。

石墨烯和非石墨烯类二维材料资助项目数的变化趋势如图2所示。NSF资助石墨烯研究始于1992年,其资助麻省理工学院31.71万美元从事碳基材料的电子和光子性能研究（Electrons and Phonons in Carbon and Related Materials, including Fibers）。2002年再次资助了石墨烯研究项目,且项目数量从2006年开始逐年增长,增幅超过非石墨烯类资助项目。而从2014年开始,非石墨烯类二维材料研究的项目数量明显且持续增加。

3.2 资助学科分析

根据学科内容和工作职责的不同,美国NSF分为工程学部、数理科学部、生物科学部等七个学部、四个管理业务办公室以及一个董事会。七个学部又分别设立若干分支机构,如工程学部包括电信和网络系统部、土木、机械和制造创新部、产业创新与合作部等六个部门。将NSF资助部门作为学科方向的一个判断依据,NSF在二维材料领域资助的学科方向以材料研究学科为主,材料研究学科在资助项目数和资助金额两方面遥遥领先于其他学科（表1）。此外,NSF资助的学科方向还包括电信和网络系统,土木、机械和制造创新,化学、生物工程、环境和运输系统,化学,产业创新和合作。在新兴前沿与交叉学科、工程教育中心等方向,虽然NSF资助的项目数不多,但资助金额较大。

这种项目资助情况体现了NSF在二维材料领域的学科布局特点,聚焦在材料领域,同时与电信、网络系统、机械、制造、化学、生物工程、产业创新等多学科形成不同程度的学科交叉融合。

2007–2020年NSF各资助部门的项目占比情况如图3所示。与2007年相比,2008年材料研究方向的项目占比大幅下降,而土木、机械和制造创新方向的资助力度开始加大,产业创新与合作方向也从2009年开始加大资助力度,可见二维材料的研究重点在一定程度上发生了转变。

3.3 主要研究机构分析

在项目数量方面,伊利诺伊大学香槟分校以42项位居首位,宾夕法尼亚州立大学公园分校以41项紧随其后,德克萨斯大学奥斯汀分校排名第3,获得35项资助,如表2所示。此外,哥伦比亚大学、加州大学伯克利分校和加州大学河滨分校均获得30个基金项目,承担项目数量不少于19项的研究机构共有16家。

从资助金额分析,佛罗里达州立大学以12 237.8万美元位居第一,其中,“2018–2022国家高磁场实验室建设”项目的资助金额高达12 047.2万美元,占到总经费的98.4%,如表3所示。哈佛大学以5 096.8万美元位居第二。获资助金额超过1 000万美元的机构共有16家,同时出现在表2和表3的研究机构有14家,表2中的麻省理工学院和密歇根大学安娜堡分校因资助金额不足1 000万美元未入选表3,而表3中的佛罗里达州立大学和普林斯顿大学的项目数量少于19项。

3.4 主要研究人员分析

从资助项目数量分析,共有5位研究人员的基金项目数不少于6项,研究内容以石墨烯的制备、器件加工和应用为主,如表4所示。其中,同时在斯坦福大学和伊利诺伊大学香槟分校任职的Eric Pop以335.8万美元的资助金额位居榜首,其主要从事低维晶体管、基于二维材料的节能电子产品研究。

从资助金额分析,有7位研究人员的获资助金额超过2 000万美元,如表5所示。单项资助金额高的项目大多是进行实验室或材料研究中心建设。其中,排名首位的是佛罗里达州立大学的Gregory Boebinger,获得12 047.2万美元基金资助,项目内容为2018–2022年国家高磁场实验室建设。哈佛大学的Robert Westervelt获得一笔3 626.5万美元的研究经费用于开展集成量子材料中心建设,该经费主要是用于实验室基础设施建设和人员培养,以探索石墨烯及其他二维材料在超导体、高磁性材料和量子材料方面的应用。另外,哥伦比亚大学的James Hone得到4项资助,总经费为2 267.8万美元,用于开展精密组装的量子材料、本征区二维异质结构的等离子体激光等研究。

3.5 研究热点分析

利用VOSviewer对NSF项目数据进行文本挖掘和主题聚类,以分析二维材料领域的热点研究主题。因为石墨烯资助项目占二维材料研究领域资助项目总数的76.5%,为避免石墨烯研究热点信号较强而将非石墨烯类二维材料的研究热点信号湮没,了解和掌握石墨烯和非石墨烯类二维材料研究重点的差异,将石墨烯类二维材料研究和非石墨烯类二维材料研究的资助项目数据分别进行主题聚类分析。

3.5.1 石墨烯资助项目研究主题分析

石墨烯资助项目主要分为8个主题,包括：（1）便宜、稳定、高效的电极制造方法;（2）凝聚态物理等电子理论研究;（3）在传感和检测方面的应用;（4）原子层状材料在场效应晶体管、光电器件方面的研究;（5）单层石墨烯和高性能器件性能的制备;（6）性能预测和改善;（7）纳米线、纳米带的制备;（8）利用计算工具优化和设计材料。按照VOSviewer主题聚类分析的总链接强度指标（total link strength）的大小排序,8个主要研究主题及相应TOP20主题词如表6所示。

2016年以来NSF共资助石墨烯类二维材料项目404项,占石墨烯类总资助项目数的37.3%。石墨烯类二维材料项目资助主题的时间演化趋势如图4所示,2016年的研究热点有垂直异质结构（vertical heterostructure）、光探测器（light detector）、氧气降解反应（oxygen reduction reaction）等;2017年的研究热点有光探测器（photodetector）、纳米管（nanotube）、氮化硼（boron nitride）、可扩展纳米制造（scalable nanomanufacturing）、石墨烯器件（graphene device）、光电器件（optoelectronic）、太阳能电池（solar cell）和黑磷（black phosphorus）等;2018年的研究热点有氧化石墨烯（graphene oxide）、膜（membrane）、蛋白（protein）、柔性电子（flexible electronic）、催化（catalyst）、电池（battery）;2019年的研究热点有激光（laser）、超导性（superconductivity）、量子器件（quantum device）、机器学习（machine learning）、海水淡化（desalination）和水处理（water treatment）等;2020年的研究热点有可再生能源（renewable energy）和拓扑超导体（topological superconductor）、拓扑超导电性（topological superconductivity）。

3.5.2 非石墨烯类二维材料资助项目研究主题分析

非石墨烯类二维材料资助项目主要分为6个主题,包括：（1）（量子）信息技术的理论研究;（2）材料和器件的制备、制造工具;（3）2D TMD材料、器件的合成、制备和大规模生产;（4）下一代场效应晶体管;（5）基于第一性原理的新颖二维材料计算与设计;（6）单层半导体材料（电子和传导）性能研究。按照VOSviewer主题聚类分析的总链接强度指标的大小排序,6个主要研究主题及对应TOP20主题词如表7所示。

2016年以来NSF共资助非石墨烯类二维材料项目资助213项,占非石墨烯类总资助项目数的64.0%。非石墨烯类二维材料资助研究主题的时间演化趋势如图5所示,2016年的研究热点有网络（web）、材料合成（material synthesis）、材料设计（material design）和动量空间（momentum space）;2017年的研究热点有新量子材料（new quantum material）、光电器件（optoelectronic device）和场效应晶体管（field effect transistor）等;2018年的研究热点有薄层材料（thin material）、电路（circuit）、二极管（diode）、工具（tool）、高性能（high performance）、理论（theory）和自组装（assembly）;2019年的研究热点有量子器件（quantum device）、量子发射器（quantum emitter）、量子态（quantum state）和导电性（conductivity）等;2020年的研究热点有量子信息（quantum information）、新性能（new property）、可再生能源（renewable energy）、纳米材料（nanomaterial）、电池（battery）和氮化物（mxene）。

3.6 新兴主题演进脉络分析

为梳理NSF二维材料资助研究的新兴主题发展演进脉络,本文针对资助项目文本的题目和摘要信息,基于VOSviewer的文本挖掘、自然语言处理技术,利用关键词提取和共词聚类功能进行文本分析,并且人工构建相应叙词表用于数据清洗以对关键词进行停词、去重、上下级合并等,利用Excel的Vlookup纵向查找函数基于关键词词频进行新兴主题识别^[24]。

单层石墨烯发现于2004年^[18],该发现获得了2010年诺贝尔物理学奖并引发了二维材料的全球研究热潮,本文分析了2005年以来二维材料研究领域的新兴主题词。根据文献量的多少,除了将2005–2010年作为一个时间切片外,从2011年开始每两年作为一个时间切片分析各个时间段里的TOP15新兴主题词,如图6所示。

二维材料研究领域2005–2010年新兴的资助重点包括二维材料分子的电子表征和材料性能研究。2011–2012年新兴的资助重点包括为促进材料更广泛的影响开展理论、效率、纳米电子学和降低制造成本的研究。2013–2014年新兴的资助重点包括实验、工具、纳米技术和下一代新型功能二维材料。2015–2016年新兴的资助重点包括大尺寸材料制备、电子性能、过渡金属硫族化合物、光谱学、电荷转移、场效应晶体管和激光研究。2017–2018年新兴的资助重点包括异质结构、健康领域的应用、电输送测量、独特性能和氮化硼。2019–2020年新兴的资助重点包括纳米材料、劳动力培养、发射器、Mxene和可再生能源。为保持美国在半导体技术领域的领先地位,在不依赖摩尔定律的情况下继续推进电子器件性能的大幅提升,美国国防高级研究计划局（DARPA）于2017年启动“电子复兴计划”^[25,26],着力于促进先进新材料、电路设计和系统架构等方面的创新性研究,并采用政产学研“协作”模式助推技术转化。2015年以来,“场效应晶体管”“激光”“健康领域的应用”“发射器”和“可再生能源”等新兴主题词的出现,表明NSF二维材料项目的关注点呈现出从材料制备、物性研究向器件制备、产业应用发展的趋势。

4 结论

本文基于文献计量、文本挖掘和知识图谱等理论、方法和技术对NSF二维材料领域的资助项目数据进行了分析研究,可以得出下列结论：（1）NSF在二维材料领域的资助热度,在经历了两次爆发增长后,目前呈现稳定发展趋势;（2）在NSF资助的二维材料研究中,石墨烯相关研究的项目数占比较大,但其资助热度在稳定中呈现轻微下降趋势;（3）NSF二维材料资助的关注点呈现从材料制备、物性研究向器件制备、产业应用发展的趋势。（4）NSF在二维材料向产业应用的研究过程中,积极促进跨领域、跨机构合作并建立交流协作网络,大力支持融合研究;（5）NSF在二维材料领域的资助内容除材料和器件性能研究、器件工艺制备等“硬核”研究内容外,还包括研究生、博士等青年科研人员的能力培养以及中学生的科普教育、科学研究兴趣培养等“软核”规划内容,注重二维材料领域后备人才的培养,使研究资助与下一代研究人员的教育和培养相结合;（6）NSF关于石墨烯和非石墨烯的资助重点不完全相同,石墨烯类二维材料重点资助的研究主题是廉价、稳定、高效的石墨烯电极制造方法、凝聚态物理等电子理论研究以及石墨烯在传感和检测方面的应用,非石墨烯类二维材料重点资助的研究主题是（量子）信息技术的理论研究以及材料的合成方法、器件的制造工具和大规模生产。

本文对NSF在二维材料领域资助项目的数据进行分析和总结,希望能为我国相关领域的科研工作者和科研管理决策者提供参考,帮助其把握当前二维材料基础研究领域的热点和前沿、洞悉石墨烯和其他新型二维材料（尤其是二维半导体材料、二维量子材料等）在研究侧重点上的差异,加强这些材料中量子信息技术等相关原创理论研究,面向后摩尔时代“更小尺寸、更高性能”的器件需求设计和预测性能优越的新型二维半导体材料,通过量子限域效应获得新奇物性并转化应用,联合不同优势机构针对大尺寸（晶圆级）和高质量单晶二维材料制备、大规模生产以及器件集成工艺等关键核心技术进行重点攻关以走向产业应用,使研究资助与青年科技人才储备紧密结合,在研究跟进的基础上实现跨越式突破,进而在广大科研人员和管理人员的共同努力下促进我国在二维材料等领域基础研究能力的进一步提升。本研究下一步拟对我国国家自然科学基金委员会等科研资助部门在二维材料领域的资助项目进行数据分析,以进一步对比中美在二维材料基础研究领域资助布局的差异。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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