基于文献计量的超材料研究现状分析

戴炜轶; 姜疆

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202204012

科学观察 ›› 2022, Vol. 17 ›› Issue (4) :47-60 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202204012

研究论文

基于文献计量的超材料研究现状分析

戴炜轶 ¹^,^* ,
姜疆 ²

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Status of Metamaterial Research: A Bibliometric Analysis

Dai Weiyi ¹^,^* ,
Jiang Jiang ²

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摘要

[目的/意义] 超材料作为备受关注的战略性前沿技术,具有重大的科学价值,其在诸多应用领域发挥着颠覆性作用。该文基于文献计量方法对超材料领域研究现状进行分析,以期为超材料领域的相关研究和实践活动提供参考。[方法/过程] 以Scopus和Web of Science核心合集数据库中收录的超材料领域文章为基础进行文献计量分析,揭示该领域研究的整体态势,并利用CiteSpace软件对数据进行处理,分析超材料领域的研究重点和热点动态。[结果/结论] 从研究态势来看,近20年来,超材料领域相关论文数量呈现逐年上升趋势,研究力量集中在中国和美国,无论是数量还是质量中美两国都处于绝对领先地位。从研究内容来看,电磁超材料在该领域的研究占比最高,其研究过程可分为三个阶段：基础内容的研究、应用领域的扩展、数字超材料的新概念产生。近3年电磁超材料领域学者重点关注超材料吸收器（MA）、石墨烯超材料等方面内容。

Abstract

[Objective/Significance] As a strategic cutting-edge technology drawing much attention, metamaterial is of significant scientific value, playing a disruptive role in many application areas. This article analyses the study situation of metamaterial based on bibliometric method, thus providing a reference for the study and practice concerning metamaterial. [Method/Process] Based on the bibliometrics analysis of metamaterial articles in Scopus and Web of Science Core Collection databases, this paper reveals the general trend of metamaterial research, processes the data with CiteSpace, and analyzes the research focuses and research hotspots in the field of metamaterial. [Results/Conclusions] From the perspective of research situation, in the past 20 years, the number of papers related to metamaterials has been increasing year by year. China and the United States are major research forces and lead in both quantity and quality of output. As for research content, electromagnetic metamaterials account for the highest percentage of research in this field, and the research process can be divided into three stages: the research of basic content, the expansion of application fields, and the definition of new concepts of digital metamaterials. In the past three years, scholars in the field of electromagnetic metamaterials have focused on the contents of metamaterial absorbers (MA), graphene metamaterials, etc.

Graphical abstract

关键词

超材料 / 文献计量 / 发展态势 / 可视化分析

Key words

metamaterial / bibliometrics / development trend / visual analysis

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戴炜轶, 姜疆. 基于文献计量的超材料研究现状分析[J]. 科学观察, 2022, 17(4): 47-60 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202204012

Dai Weiyi, Jiang Jiang. Status of Metamaterial Research: A Bibliometric Analysis[J]. Science Focus, 2022, 17(4): 47-60 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202204012

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1 引言

“超材料”这一概念诞生于世纪之交,是指具有通过人工结构作为基本功能单元、能够实现自然材料不具备或难以实现的超常物理性质的人工材料^[1]。此类材料因其独特的性能,已在诸多领域发挥着颠覆性的作用,比如,“隐身斗篷”、完美透镜等典型的超材料已应用在国防领域的隐形战斗机上。近年来,基于超材料与常规材料融合的新型材料相继出现,已成为新材料领域的重要突破点,如清华大学周济老师课题组先后率先发展出了介质基电磁超材料、本征型超材料介质及若干种基于超材料原理的“常规超材料^[2]。2003年,左手材料凭借其“负折射”特性入选Science年度十大科技进展^[3];2006年,“隐身斗篷”跻身Science年度十大科技进展^[4];2008年,左手材料入选材料学领域权威期刊Materials Today评选的过去50年材料学领域的十大进展^[5];2010年,左手材料再次被Science评选为21世纪前10年的十大科技突破之一^[6];2012年美国国防部将超材料列为“六大颠覆性基础研究技术”之一^[7];2021年,“隐身斗篷”被Science评为“全世界最前沿的125个科学问题”之一^[8]。

我国也高度重视超材料的研究。2004年12月,科技部正式启动了名为“新型人工电磁介质的理论与应用研究”的国家重点基础研究发展规划（973）项目;2016年3月,国家“十三五”规划纲要提出要大力发展超材料等纳米功能材料^[9];2020年国家自然科学基金委八大学部公布的“优先发展领域及研究方向”中包含了“超材料的结构设计原理及其新效应器件”;2021年十四五国家重点研发计划启动实施“高端功能与智能材料”重点专项,其中明确提出“超材料”为六大技术方向之一^[10]。

为了解该领域研究的整体态势和主题分布情况,把握超材料相关研究的最新动态,以及主要研究国家的优势领域和研究潜力,本文运用文献计量研究方法,从发文规模和主题分布的角度探讨超材料的研究现状,以及主要研究方向“电磁超材料”的热点动态,并梳理相关领域的重要学者,以期为超材料领域的相关研究和实践活动提供参考。

2 数据采集及研究方法

2.1 数据采集

本文的研究数据来源于Scopus与 Web of Science核心合集。Scopus作为全球最大的文摘及引文型文献数据库,涵盖1823年以来105个国家的期刊,可在一定程度上确保主题检索结果的全面性。Web of Science核心合集与Scopus功能相似,其特点是收录1900年以来世界权威期刊资源,可在一定程度上反映科学共同体的关注程度。由此,本文在分析过程中,利用Scopus检索结果对超材料领域的研究产出规模进行分析,利用Web of Science核心合集检索结果对超材料领域的研究主题和热点进行分析。

Scopus超材料主题检索策略如下：TITLE-ABS-KEY(metamaterial* OR “nagative refractive * material*” OR “left hand material*”),检索结果显示共39 743篇文献。电磁超材料主题检索策略如下：TITLE-ABS-KEY(electromagnetic metamaterial OR microwave metamaterial OR infrared metamaterial OR Terahertz metamaterial OR optical metamaterial OR waveguide metamaterial OR graphene metamaterial OR invisib* metamaterial OR antenna metamaterial),检索结果显示共29 286篇文献。文献类型限定为期刊论文和会议论文,检索时间为2021年9月24日。

Web of Science超材料主题检索策略如下：TS=(metamaterial OR “nagative refractive * material” OR “left hand material”),检索结果显示共18 035篇文献。电磁超材料主题检索策略如下：TS=(electromagnetic metamaterial OR microwave metamaterial OR infrared metamaterial OR Terahertz metamaterial OR optical metamaterial OR waveguide metamaterial OR graphene metamaterial OR invisib* metamaterial OR antenna metamaterial),检索结果显示共13 422篇文献。文献类型限定为期刊论文和会议论文,检索时间为2021年9月24日。

2.2 研究方法

本文根据该领域年度发文数量,国家、机构和重要学者的分布情况,分析超材料领域的研究现状。同时,利用CiteSpace 软件对数据进行处理和分析,通过关键词共现情况、突现关键词列表以及年度TOP被引论文主题分布情况,分析超材料领域的研究重点和热点动态。

3 超材料研究论文产出分析

超材料的起源最早可追溯到1967年,苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Georgievich Veselago）发现介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质,从而在理论上预测了该“反常”现象。他在该领域的第一篇论文“The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ ”^[11]最初以俄文发表在Usp.Fiz. Nauk 期刊,并于1968年以英文形式重新发表在Sov. Phys. Usp上^[12],该文章奠定了“负电磁参数介质研究”的理论基础,如今被引频次高达9 146次。随着超材料概念的不断扩展,其种类和范围也在进一步扩大。20世纪70年代,频率选择表面技术（FSS）被运用到通信、探测领域^[13];1987年Eli Yablonovitch^[14]和Sajeev John^[15]分别独立提出了光子晶体（Photonic Crystal）概念;1999年John Brian Pendry等人^[16]用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值,论证了负折射率材料存在的可能性;2000年David R. Smith^[17]发表在Physical Revies Letters的论文摘要中第一次出现“Metamaterial”一词,该文章被引频次高达7 240次;2003年Claudio G. Parazzoli等人^[18]进行了一系列成功的实验工作,证实了左手材料的存在。此后,各国科学家掀起了超材料技术研究的高潮。

3.1 年度分布

自2000年以来,超材料领域相关论文数量呈现逐年上升趋势,2001年至2019年论文产出的年均增长率超过52%,体现出该领域的研究热度平稳增加。2020年发表论文数量略有下降,排除数据库论文收录延后的影响（Scopus数据库2020年收录论文同比增长5%,与2019年保持一致）,该领域发文量近年来可能呈现趋向平稳的态势。2000年至2020年,Scopus数据库的年均论文增长率为5.6%,而同期超材料领域的论文年均增长率超过50%,远高于全部论文的增长水平,表明该领域近20年处于相对活跃状态。

3.2 国家分布

2000年至今,超材料领域发文量排名前20的国家如图2所示。其中,中国以12 483篇（占比约31%）位居第一,其次为美国（占比约24%）和英国（占比约7%）。图3对比了中国、美国、英国、印度在超材料领域论文产出的年代分布情况,可以看出中国在2005年以后相关研究逐渐增多,发展迅速,近5年在论文数量上保持绝对优势,年均增长率为75%。美国在超材料领域的研究起步较早,但在2011年以后文献数量呈现相对稳定的态势。印度在该领域起步较晚,但近5年的论文数量已超过英国。对比Scopus和Web of Science两个数据源中各国在超材料领域论文年度分布情况,可见两个数据源表现出的总体趋势相对一致。然而,基于Web of Science的高被引论文（326篇）统计显示,发现排名前5的国家分别为美国（149篇）、中国（142篇）、英国（29篇）、新加坡（29篇）和德国（27篇）,印度（1篇）排名跌出前20。综上所述,中国和美国在超材料领域的研究成果,无论是数量还是质量都处于绝对领先地位。

3.3 机构与学者分布

全球超材料研究领域总发文量排名TOP20的机构中,来自中国的有11个,其余分别来自美国（3个）、新加坡（2个）、法国（2个）、俄罗斯（1个）、印度（1个）;高被引论文发文量TOP20的机构中,来自中国和美国的均为7个,其余分别来自新加坡（3个）、法国（2个）、英国（1个）。其中,来自法国的两个机构发文基本重合,97%的论文同属于古斯塔夫·埃菲尔大学（Universite Gustave Eiffel）和法国科学研究中心（CNRS）。在国家层面,发文量排名和高被引论文量排名结果较为相似,而在机构层面,两个排名并未保持高度一致。说明部分机构的论文数量和论文影响力并非成正比。表1所列出的28个机构中,有12个机构在两个榜单中均位列TOP20,其中包括中国的中国科学院、东南大学、南京大学、浙江大学、天津大学,美国的加州大学系统、美国能源部、杜克大学,新加坡的南洋理工大学和新加坡国立大学,法国的法国国家科学研究中心和古斯塔夫·埃菲尔大学,以上机构在超材料领域的研究值得重点关注。

进一步分析发文量TOP6机构中的主要研究人员。中国科学院在超材料领域的研究队伍主要集中在中国科学院光电技术研究所和中国科学院物理研究所,光电技术研究所的代表学者包括罗先刚、蒲明博、黄成等,研究内容聚焦在电磁隐身材料、微波人工电磁材料和功能器件等方面,物理研究所的主要学者有张道中、程丙英、李志远等,研究内容包含光子晶体、等离子激元超材料、左手材料等,如新型传感型超材料探索。巴黎萨克雷大学在该领域的代表学者有André de Lustrac、Burokur Shah Nawaz等,研究内容主要包括微波超材料结构设计仿真,微波段涡旋波束的超构表面激发原理分析。加州大学的研究力量主要为加州大学伯克利分校的Zhang Xiang（张翔）等和加州大学洛杉矶分校的Itoh Tatsuo等,前者的研究主要针对新型人工原子与人工分子设计,后者的研究内容主要有电磁建模,用于小型化通信天线技术中的复合左/右手（CRLH）结构超材料。东南大学的代表学者有崔铁军、程强等,其在超材料方面的研究体现在新型人工结构单元设计和超材料数字编程方式实现。印度理工学院的代表学者有Chaudhary Raghvendra Kumar、Srivastava Kumar Vaibhav等,研究内容主要包括用于紧凑型天线设计的可重构超材料、电磁波吸收器等。

纵观全球超材料研究领域的学者分布情况,发文量排名前50的学者分布在17个国家共37个机构中,其中13位来自美国,10位来自中国,其余分别来自俄罗斯（4）、土耳其（3）、西班牙（3）、德国（2）、印度（2）、瑞士（2）、意大利（2）、马来西亚（2）、英国（1）、法国（1）、加拿大（1）、日本（1）、澳大利亚（1）、希腊（1）、埃及（1）。发文量最高的是来自英国的Zheludev Nikolay I,他是纳米光子学和超材料领域的开创者之一,2012年以来,在新加坡南洋理工大学建立并指导了破坏性光子技术中心（Centre for Disruptive Photonics Technologies）,带动该领域一系列的科研产出。而在37个机构中,有7个机构来自中国,分别是中国人民解放军空军工程大学（屈绍波、王甲富、马华）、东南大学（崔铁军、程强）、天津大学（张伟力、韩家广）、清华大学（周济）、西安交通大学（徐卓）、浙江大学（陈红胜）、香港大学（张翔）。

4 超材料研究主题与热点

4.1 超材料研究主题分布

基于CiteSpace5.7.R5软件分析2000–2021年间全球超材料领域研究主题分布情况。软件中的突现关键词检测是从标题和关键词中以词频为依据提取的热门话题,该算法在2002年由Kleinberg提出,根据短时间内频率急剧上升的突变词来确定某个领域的热点问题,其中关联强度的值越大意味着关键词出现次数越多。本文通过同义词聚类去重,最终筛选出35个关键词并标注其对应领域,具体详见表3。同时,利用VOSviewer软件生成标签聚类视图,共计产生15个聚类,具体详见图4。从突现关键词表和标签聚类图来看,超材料领域的研究主题有电磁超材料、力学超材料、声学超材料、热学超材料,其中电磁超材料在该领域的研究占比最高。

4.2 电磁超材料研究热点动态

聚焦电磁超材料的研究主题,利用CiteSpace软件计算出电磁超材料领域的研究热点动态,如表4所示。基于突现词表分布的特点来看,电磁超材料领域的研究热点动态如下：最初主要集中在负折射传播特性（negative refractive index、negative permeability）以及左手材料（left handed metamaterial）的关键要素,如开口谐振环（split-ring resonator）等基础内容的研究;其次是在变换光学的研究内容逐渐增多,出现transformation optics、optical activity、invisibility cloak、antenna、plasmonics（surface plasmon）、terahertz absorber等热词,体现电磁超材料的应用不断扩展;近来,数字超材料（digital metamaterial）的概念成为新的研究热点,同时,利用超材料实现单个天线低剖面及小型化的研究不断深入,如设计出基于复合左/右手传输线宽带非对称共面波导馈电的微带天线^[19]。

通过Web of Science数据库检索2019–2021年电磁超材料领域论文并逐年筛选当年TOP1‰热点论文,共计35篇,具体内容详见附表。近3年该领域的热点论文的研究主题分布情况如表5所示。可见超材料吸收器（MA）、石墨烯超材料是近年来电磁超材料领域学者的关注重点。早在2008年,Landy等通过对超材料吸收器的纳米结构进行特殊设计,实现了超材料吸收器对电磁波的近乎完美吸收。随后由于研究的不断深入,不同类型的超材料吸收器被设计出来,同时广泛应用于太阳能电池、热发射器、光探测器等中。近3年在该领域中,从光频来看,主要研究方向有可见光MA、近红外MA、太赫兹MA;从带宽来看,主要是宽带宽MA、超宽带宽MA;从构造材料来看,主要有石墨烯超材料。如张玉斌等^[20]提出了一种基于亚波长范围的双频可调谐可见光超材料吸收器,实现了可见光波段的完美吸收,吸收率高达99.9%。Yuqian Wang等^[21]针对体狄拉克半金属设计了一种可调谐的太赫兹窄带吸收器,其在139.97 μm,163.52 μm,247.76 μm波段均达到理想吸收,吸收率大于96%,实现了理想的窄带吸收和动态调谐。Haijun Zou等^[22]设计了一种六波段太赫兹超材料吸收器可应用于太赫兹波段的温度传感器。Lin Han等^[23]通过实验证明了一种面积为12.5 cm²厚度为9 nm的石墨烯超材料具有大约85%的处于非偏振可见和近红外光频谱的吸收率,可以几乎覆盖整个太阳光谱（300~2 500 nm）。在超表面方面,为解决大型智能超表面（LIM）的信号处理能力,Zhenqing He等利用三阶段机制来解决智能超表面辅助MIMO系统信道估计问题,分别是稀疏矩阵分解、歧义消除及矩阵完成。在信息超材料方面,崔铁军等最早提出来编码超材料、数字超材料和可编程超材料的概念,实现超材料设计从模拟域到数字域的转移,并实现许多传统超材料难以实现的系统应用,如智能成像系统,崔提出了一种基于机器学习算法获取场景特征的超分辨成像系统^[24]。此外,在光驱动可编程电磁超材料方面,其团队突破了动态电磁超表面的惯用电控实现技术限制,解决了以往多通道电控超表面需要大量复杂物理导线连接带来的微波信号与直流信号串扰难题,实现了非接触式远程可编程调控,为高度集成化的远程可编程超表面系统的研制奠定了基础^{[25⇓⇓-28]}。

5 结语

综上所述,超材料领域的研究主力集中在中国和美国,其次是英国、法国、俄罗斯、印度、新加坡等国家。我国在超材料方面的基础研究快速发展,研究机构正积极开拓超材料研究领域,以中国科学院、中国人民解放军空军工程大学、东南大学、南京大学、清华大学、浙江大学、西安交通大学等为代表,在国际上已形成了有一定影响力的研究队伍,相关课题组也做出了许多重要的开创性工作,引起了国际学术界的广泛重视。

有关超材料的研究内容十分丰富,涉及电磁超材料、光学超材料、声学超材料、力学超材料、热学超材料等。过去20余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点,本文重点分析了电磁超材料领域的研究主题与热点,发现基于变换光学与信息编码的研究方向是近年来的重点。同时,基于电磁超材料已实现了很多新颖的功能器件,如隐形斗篷、电磁波聚束器、光幻觉器件、奇异透镜和漫散射器等。根据美国Lux研究机构的预测报告,未来超材料的应用将带来更多领域的技术变革,值得密切关注和期待。

本文基于文献计量方法对超材料领域研究现状进行分析,研究过程中仍存在一定的局限性。由于数据源与检索式对研究结论有极大的影响,同时随着时间的变化该结论也可能发生一定的变动。本文作为阶段性的研究成果,以期为超材料领域的相关研究和实践活动提供参考,今后将进一步优化检索式更新研究结果,以此获得更为精准的前沿热点与研究方向。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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