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基于国家科技报告的中国石墨烯研究现状与趋势分析

时间:2019-04-25 16:27   点击:

        一、概述

       石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的苯环结构,它不仅有碳原子独特的结构还有众多复杂的物理特性,这种独特的材料未来有望对材料科学、电子信息和纳米技术产生重大影响。由于其特殊的结构和微小的直径,它可以用作半导体、集成电路元件和传感器装置。

       据报道,这种二维形式的碳结构有望为未来的设备制造和材料科学的研究开辟新的机遇。因此,这种具有巨大工业前景的单层二维材料吸引了全世界的广泛研究。目前业界对于石墨烯研究前沿的分析以及石墨烯技术和石墨烯产业发展的研究对世界各地的决策者来说都很重要。
       近年来,许多学者还将科学计量学作为定量分析方法应用到石墨烯的研究当中,主要从论文和专利的角度对石墨烯的研究状况进行分析。王桂芳等人运用文献计量分析和知识图谱可视化分析评估了全球的石墨烯研究趋势。结果证明,石墨烯的研究在过去20年间增长迅速,在最近的5年中有明显增长。在进行可视化分析时,由于石墨烯研究的潜在应用,对近5年来的研究选择专利关键词的聚类分布进行分析研究。Pan等人从文献计量学的角度分析了石墨烯的研究前沿和中国石墨烯研究的发展趋势。他们通过对国家、研究机构和学科的和分析,发现自2005年以来,石墨烯相关研究快速发展,并且主要集中在高分子物理、材料科学和应用物理学科。英国知识产权局发布的2013年全球石墨烯研究专利分析报告,从技术主题、时区和相关专业指数的角度对各国在石墨烯领域的研发潜力进行了比较分析。Gridlogics 技术公司还基于专利布局、合作和关键技术对重点的石墨烯研究机构进行了深入研究。

       从上述对其他学者研究的论述中发现,论文和专利这2种数据源被广泛的用来评价石墨烯的研究。然而,少有学者在研究中注意到国家科技报告( STR )也是评价和计量分析科学技术研究的一个非常好的数据源。本文试图从国家科技报告( NST)度量分析的角度揭示我国石墨烯领域的研究现状和发展趋势。科技报告是科技人员为了描述其从事的科研、设计、工程、试验和鉴定等活动的过程、进展和结果,按照规定格式编写而成的特种文献。科技报告具有如下特点:内容详尽,科研工作者依据科技报告中的描述能再现科研全过程;内容会涉及很多不能公开发布的技术信息,需要通过划分密级、限制使用范围等手段进行交流共享;出版周期不固定,且大都不公开出版;有明确的编写格式要求,但大都不经过同行专家的评审和专业编辑人员的审查。它在记述技术先进性、实用性等方面具有独特优势,是促进科学技术迅速发展的重要信息资源和宝贵财富。国家科技报告服务系统( NSTRS )于2014年3月1日正式开放,该系统是一个综合服务平台,主要用于分享和交流财政援助项目中产生的科技报告。它可以为科研人员提供基础科研信息,为科技管理者提供决策支持,还可以帮助公众理解和使用国家科研产品。

       本文从NSTRS检索并下载了与石墨烯相关的科技报告( STR ),检索截止日期是2018年10月9日。下载的数据中的元素包括标题、作者、作者单位、报告类型、秘密级别、科学报告编号、摘要、关键词、分类编号、计划名称、项目名称和编号、承诺单位、完成日期等。

       二、分析

        1.政府支持下的石墨烯项目概况

        从2006年到2015年,NSTRS共收录186个政府支持的石墨烯项目。其中,142个项目得到了中国国家基础研究计划( “973”计划)的资助,这是中国石墨烯研究的主要支持方式,如图1所示。除此之外,有32个项目是国家高技术研发计划( “863”计划)所支持的。可以初步得出结论,我国政府支持的石墨烯研究主要来自”973”计划和”863”计划。

图1  不同支持渠道下的石墨烯项目数量

(单位:个)

        “973”计划遵循科学发展规律,借鉴国内外重大项目组织的管理模式,如国家自然科学基金会现有的基础研究项目和早期基础研究重点项目,”973”计划还组织并实施重点项目以满足国家战略需求。该计划的战略目标是动员中国的科学人才在农业、能源、信息、资源与环境、人口与健康、材料等相关领域进行创新研究。

        “863”计划的目标是提高我国的自主创新能力,特别是战略性、前沿性和前瞻性高科技领域的创新能力,以便在世界舞台上站稳脚跟,从而充分发挥高技术引领未来发展的先导作用。

        因此,中国的石墨烯研究主要是为了掌握关键的新材料和先进的制造技术,从而提高工业竞争力,以便在具有深远战略意义的主要前沿领域寻求突破,并构建出一支高素质的基础研究队伍,进而培养一批具有创新能力的人才。

        图2显示了政府支持的石墨烯相关项目数量的逐年变化趋势。可以看出,自2006年起到2011年,石墨烯项目的数量一直保持不错的增长趋势,同时在2011年达到峰值共51个项目。之后的2012年和2013年,项目数量仍然保持很高的水平,其项目数量分别为44个和39个。根据数据显示,可以初步推断我国政府长期以来都比较支持石墨烯的研究。至于2014年和2015年,石墨烯相关项目的数量仅为1个。这是因为大多数国家科技报告都是在项目结束时才提交给系统,极有可能2014年或2015年建立的项目还没有进入最后阶段,所以尚未录入到系统当中,因此系统中2014年和2015年的项目很少。图3所示为不同计划每年支持的石墨烯项目数量。通过图1和图3,可以看到,自2006年以来,“973”计划和“863”计划一直是中国石墨烯研究的2大主要支持渠道。

图2  石墨烯项目数量的逐年分布状况

(纵坐标:项目数量/个;横坐标:年份)

图3  不同计划每年支持的石墨烯项目数量

       2.石墨烯研究中的技术布局

       从不同技术领域石墨烯项目的数量情况(图4)可以看出,我国政府支持的石墨烯研究主要集中在纳米研究领域,其中纳米研究领域的项目共有78个,占石墨烯研究项目总数的1/3以上。第2个重点研究领域是量子调控研究领域,共有21个项目。因为石墨烯作为一种新的纳米复合材料,所以对于石墨烯的研究也就主要集中在纳米研究和新材料技术上。此外,我国石墨烯研究还涉及到许多其他领域,如先进能源技术领域、分析仪器技术以及医药和生物技术领域等。

图4  不同技术领域石墨烯项目的数量情况

        图5显示了石墨烯相关项目在不同技术领域的逐年变化情况。其中,纳米研究的项目数量一直保持着良好的增长趋势,2002年为3个,2013年为22个。纳米研究作为石墨烯研究的主要领域,也是石墨烯研究的持续快速增长领域。量子调控是石墨烯研究的另一个重点和热点技术领域,2010、2011、2012和2013年分别有3、8、5和1个项目。类似于图3,2014年和2015年很少有项目,这也可能是因为那些在2014年或2015年建立的项目没有进入最后阶段,所以提交给NST系统的报告很少。

图5  不同技术领域石墨烯项目逐年数量状况

        3.石墨烯研究中研究机构的分布

        图6列出了中国石墨烯研究项目中涉及的前20个研究机构,分别为清华大学、中国科学院物理研究所、复旦大学、北京大学、厦门大学、南开大学、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院化学研究所、南京大学、国家纳米科学中心、吉林大学、北京科技大学、上海交通大学、中国科技大学、上海学院等。通过数据显示,在这前20个研究机构中,14个是大学,另外6个是中国科学院的研究所,可以发现,这前20个研究机构中没有企业的存在。从这一点来看,可以初步的得出结论,目前我国政府支持的石墨烯研究主要还处于研发初期和实验室阶段,并且主要是由大学和研究所进行。目前我国的石墨烯研究离工业应用还有一点距离,相关技术也并未充分应用于市场,研以致用并不十分充分。

图6  石墨烯研究项目承担机构(前20)

        图7展示了我国石墨烯研究中主要机构的合作网络。通过对数据的分析,可以发现,中国的大学和研究机构在石墨烯研究方面进行了大量合作。图中看出清华大学、北京大学和南开大学均与其他大学和研究机构有较多的合作,其中清华大学与其他大学和研究机构进行的合作最多,如与国家纳米科学技术中心、上海交通大学、北京大学、复旦大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、北京理工大学、吉林大学、南开大学都有多合作。此外,发现有少数机构存在自己的小团体合作网络,典型的如四川大学、中国工程物理研究所和中国科学院成都有机化学有限公司之间的合作,以及上海应用物理研究所、中科院理化所、中国科学技术大学和苏州大学的合作。

图7  中国石墨烯研究主要机构的合作网络

       4.石墨烯研究的关键学者

       图8展示了目前国内石墨烯领域国家科技报告的顶尖学者。他们分别是中国科学院物理研究所的陈小龙、清华大学的石高全(已故)、厦门大学的田中群、北京理工大学的姜澜、北京大学的刘忠范和清华大学的潘凤。中国科学院物理研究所的陈小龙教授提交了7份国家科技报告,主要涉及石墨烯的可控制备、物理性能和器件测试。清华大学的石高全教授在提交的7份国家科技报告中重点关注石墨烯材料的宏观可控制备及其应用、石墨烯与石墨烯基超级电容器的可控组装和复合。厦门大学的田仲群教授提交的5份国家科技报告主要围绕石墨烯在辐射增强拉曼光谱仪中的开发和应用。北京理工大学的姜澜教授提交的3份国家科技报告,主要关注与石墨烯相关的激光微纳米传感器的新方法和尺度限制。北京大学的刘忠范教授在提交的3份国家科技报告中主要关注低维功能材料——新的狄拉克材料、石墨烯和拓扑绝缘体纳米结构及其衍生物。清华大学的潘凤教授也提交了3份国家科技报告,研究领域主要集中在石墨烯/碳纳米管复合结构的非催化合成和场发射特性,离子束轰击纳米梯度结构的构建及其在记忆中的应用。

图8  石墨烯领域国家科技报告的顶尖学者

      三、结语

       石墨烯作为一种新型纳米材料,具有独特的性能和广阔的应用前景,引起了全世界的极大关注。在以前的研究中,大多数学者会选择论文和专利这2个数据源来评价石墨烯的研究状况,用国家科技报告作为数据源来分析和评定石墨烯研究的尝试很少。因此笔者从数据源角度进行创新,尝试利用国家科技报告来分析目前我国石墨烯领域的研究现状和未来发展趋势。

       根据上文对数据的分析,可以发现从2006年到2015年,政府支持的石墨烯项目数量为184个,并呈现出持续增长趋势。在这184个项目中,国家基础研究计划( “973”计划)共资助了141个项目,国家高技术研发计划( “863”计划)资助了32个项目。”973”计划和”863”计划是我国政府支持石墨烯研究的主要支撑渠道。因此,中国石墨烯研究的主要目的是在主要前沿领域实现突破,提高工业竞争力。

       通过分析我国政府支持的石墨烯研究中的主要领域,发现我国目前对石墨烯的研究主要集中在纳米研究领域,其项目数量占石墨烯项目总数的1/3以上,并且呈现持续增长的趋势。石墨烯研究还涉及到一些其他热点研究领域如:先进的能源技术、生物和医疗技术、测试和分析仪器技术。

       我国石墨烯研究项目中涉及的前20名的研究机构只包含大学或研究所,没有企业进入前20的行列。可以得出结论,我国的石墨烯研究目前主要集中在基础的研发阶段,相关技术并未充分应用于市场,离工业应用还有一定的距离。在合作网络中可以看出,中国的大学和研究所确实在石墨烯研究方面进行了密切的合作。其中清华大学与其他大学和研究机构的合作最多。此外,北京大学、南开大学、复旦大学等也与其他大学和研究所在石墨烯研究方面进行了大量合作。

       中国科学院物理研究所的陈小龙、清华大学的石高全、厦门大学的田仲群、北京理工大学的蒋蓝、北京大学的刘忠范和清华大学的潘凤均为中国石墨烯的国家科技报告领域做出了重大贡献。陈小龙教授专注于石墨烯的可控制备、物理性能和器件测试。石高全教授主要进行石墨烯材料的宏观可控制备及其应用,石墨烯与石墨烯基超级电容器的可控组装和复合方面的研究。田仲群教授的研究主要围绕石墨烯在辐射增强拉曼光谱仪中的开发和应用展开研究。姜澜教授致力于研究与石墨烯相关的激光微纳米传感器的新方法和尺度限制。刘忠范教授则对低维功能材料做了大量研究。潘凤教授的研究主要是石墨烯/碳纳米管复合结构的非催化合成和场发射特性,以及离子束轰击纳米梯度结构的构建及其在记忆中的应用。

       总之,本文的研究通过选取国家科技报告作为一个全新的数据源,跳出了大多数学者选用论文和专利作为分析对象的模式,为我国的科学技术评估提供了一个新的思考方向。本文中用《国家科学技术报告》来揭示我国石墨烯领域的现状和发展趋势,其他技术领域也可以在未来的研究中借鉴本文的研究模式。在未来的研究中,可以尝试从国家科技报告中挖掘更多有价值的信息来完善该评估方法。

      作者:郑佳魏、晓旭

      单位:中国科学技术信息研究所
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