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科学计量学视角下的石墨烯发现之争

已有 5899 次阅读 2013-1-9 10:21 |系统分类:论文交流| 科研评价, 知识图谱

这篇论文已被《自然辩证法研究》录用。希望和做科研评价的同行交流探讨。
                       
                                      科学计量学视角下的石墨烯发现之争[*]
陈悦1,邢黎黎1,滕立1,2
1.      大连理工大学WISE实验室,辽宁,大连,116024
2.      郑州航空工业管理学院,河南,郑州,450006
摘  要:本文通过科学计量学的方法,考察了石墨烯发现前后文献链条上的关键节点文献,对有关2010年诺贝尔物理学奖的争议进行了回答。研究结果表明,海姆、诺沃肖洛夫2004年发现石墨烯的文献以及发现石墨烯中的电子是具有无质量的狄拉克费米子两个成果既然很高的被引频次,也有很高的网络中介中心度值。他们获得诺贝尔奖是理所应当。另一方面,赫尔只有一篇2006年发表的文献处于链条之上,表明他在石墨烯发现之后对其性质的研究做出了实质性的贡献。凯姆则有两篇文献位于石墨烯发现前后的链条上,尤其是对石墨烯中存在肉眼可见的量子霍尔效应这一独特性质的发现,引发了大量相关研究。因此,海姆认为他也应当共同获奖是有相当理由的。
关键词:科学计量;共被引分析;科学文献;石墨烯;
Controversy of Graphene Discovery: A Scientometrics Perspective
1. Chen yue1, 2. Xin lili1, 3. Teng li1,2
1. WISE Laboratory of Dalian University of Technology, Liaoning,Dalian, 116024
2. Management Colleges of Aircraft Industry of Zhengzhou, Henan, Zhengzhou 450006
Abstract: The paper tried to deal with the debate on graphene discovery from constructing key literature chain which reflected the process of graphene discovery by scientometrics method. The results have shown that two works made by Geim and Novoselov, one was discovery of graphene and the other was find of Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene, both had high cited frequence and network betweenness centrality. On the other hand, only one paper written by Heer in 2006, which made important work for nature of graphene, was situated on the chain. Two works of Kim, one was about single-walled carbon nanotubes and the other was about quantum Hall effect and Berry's phase in graphene, were lain on the chain indicating Kim played important role before and after discovery graphene, especially after discovery graphene. Based on these results, the paper pointed out that there were enough reasons for Geim and Novoselov to win Nobel Prize and Kim also met the requirement for Nobel Prize.
Keywords: Scientometrics; Co-citation analysis; Scientific literature; Graphene
引言
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯在被发现前一直被科学家认为是假设性的结构,无法在自然条件下单独稳定存在。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德鲁•海姆(Andre Geim)与康斯坦丁•诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov),成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,从而证实它可以单独存在,并具有独特的物理化学性质。两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。获奖后,英国《自然(Nature)》杂志网站的一篇文章《Nobel prize committee under fire》及新闻《Nobel document triggers debate》,披露了美国乔治亚理工学院物理系的赫尔(Walt de Heer)关于石墨烯向诺贝尔奖委员会提出的质疑(见Letter from Walt de Heer http://www.gatech.edu/graphene/)。面对质疑,海姆似少点谦谦君子的风度,进行了嘲讽式的回击,但同时认为另一位学者,哥伦比亚大学的凯姆(Kim P),应该共享今年的诺贝尔物理学奖。
虽然诺贝尔奖委员会经过讨论最终维持了原来的评选结果,但是,赫尔的质疑是否成立?凯姆的学术贡献是否达到获奖水平而没有被授予相应的荣誉?这些问题在学术界仍有相当争议。对此,本文利用科学计量学的方法,通过考察争议人物的学术论文及其在共被引网络中的地位,试图对此问题从文献角度做出回答。
1.    相关理论与概念
对科学家的学术评价,最重要的依据就是科学家做出的科研成果的重要性。这种重要性体现在两个方面:1. 该科学成果对科学自身发展的影响;2. 该成果对社会进步的促进作用。就基础性研究而言,对科学发展的影响是评价科学成果的最主要因素。
在科学共同体中,科学家做出的任何发现,都只有正式发表,才有可能获得学术同行的承认与评价。这里面有两层含义:1. 科学论文是科学研究成果的载体;2. 对科学家研究成果的评价可以通过考察其发表论文的重要性来进行。这种重要性通常表现为科学家发表论文论文的被引用频次。一篇论文被引用的次数越多,其重要性越大。但是,由于科学家在引证文献时,存在着复杂的动机[1],这导致单单使用文献的被引用频次来评价其地位是不完善的,有时甚至失真度很大。
论文的引用与被引用,构成了普赖斯(Price JD[2]所说的“科学论文的网络”。科学家在进行文献引证时,往往既引用重要的、经典的文献,也同时会引用其他一些相对普通的文献。这些文献构成了斯莫尔(Small H)[3]所称的文献共被引关系与共被引网络。陈超美(Chen CM)[4]的研究表明,代表重大科学发现的文献在共被引网络中,除了具有高被引的特征外,还具有另一个重要的特征:这些文献往往处于网络中的结构洞[5]位置,即具有较高的中介中心度。这些科学计量学上的成就,为我们提供了从网络的视角来评价科学论文重要性的理论与方法。
中介中心度(betweenness centrality)1979年弗里曼(Freeman LC)[6]在社会网络分析的研究中提出的测量网络节点位置特征的指标。该指标的含义是在一个网络中,任一节点占有网络中最短路径的能力。其计算公式如下:
其中d(i,j,k)表示在网络G中任意两点ij间的最短路径经过K点点的数量;d(i,j)表示网络G中用意两点ij间的最短路径数。网络中高中介中心性的节点常常扮演边界员的角色,它们在相互远离的区块间起到“桥梁”的作用。在文献共被引网络中,网络中的节点也会随着时间而形成不同的“区块”,构成相应的研究领域。高中介中心度的节点则在这些“区块”中起到联通的功能,扮演着沟通各“区块”间知识上的联系的角色。一但去掉这些节点,则各“区块”之间就无法形成联系,整个网络呈现出碎片化的趋势。在一个随时间演化的文献共被引网络中,高中介中心度的节点往往既是以前知识的汇聚点,也是新知识或新研究领域的发动点。结合文献的被引频次,我们可以认为网络中具有高中介中心度的节点文献在科学展的过程中具有重要的地位。
因此,在有关石墨烯的争议中,我们只须考察海姆和诺沃肖洛夫、凯姆、赫尔在石墨烯发现前后的共被引网络中的地位与作用,争议就迎刃而解。
2.    数据检索与处理
本文选择了Web of Science数据库中的SCI(科学引文索引)做为数据来源。该数据库提供1900年以来6000多期刊的题录、文摘、参考文献信息,涉及自然科学和工程技术的所有领域。SCI数据库是世界六大数据库之一,其收录数据的全面性与权威性在学界得到公认。
2.1  数据检索策略
利用科学文献分析一个领域的发展变迁,首要问题是尽可能得到这个领域的完整数据。在本章中,与石墨烯研究相关的文献由三部分构成:
首先,用主题词检索方式检索有关石墨烯研究的相关文献。主题检索方式得到的文献在标题、摘要或关键词位置含有相应的检索词,一定程度上表明了文献内容与检索词所涉领域之间的相关性。在本章检索中使用的主题词为“graphene”。
其次,还需要检索与科学家所发表的经典文献相关的文献。这些文献同样反映了石墨烯的相关研究。确定这些相关文献,可以使用文献耦合[7, 8]的方法。所谓文献耦合,是指文献集合中两篇文献至少拥有一篇相同的参考文献。相同的参考文献越多,文献间的耦合相关度就越大。海姆与诺沃肖洛夫二人有关制备出石墨烯的文献最早发表在《科学》(《Science》,2004年第306期)杂志上,题目为《单原子厚度碳薄膜的电场效应》(《Electric field effect in atomically thin carbon films》)。这篇文献共有参考文献16篇,文献标题见表1。在2004年以前与其有耦合关系的文献则表征了石墨烯发现前相关的研究。
 
《单原子厚度碳薄膜的电场效应》中的参考文献
序号

               
1
Organic thin-film transistors: A review of recent advances
2
Carbon nanotubes – the route toward applications
3
Possibility of a metallic field-effect transistor
4
Hall constant in quantum-sized semimetal Bi films: Electric field effect influence
5
Intercalation compounds of graphite
6
Electronic transport-properties of graphite, carbons, and related materials
7
Carbon nanostructures
8
Graphitic cones and the nucleation of curved carbon surfaces
9
Fabrication of mesoscopic devices from graphite microdisks
10
Cleavage of graphite to graphene
11
Experimental evidence of a single nano-graphene
12
Novel electronic wave interference patterns in nanographene sheets
 

续前表
13
STM investigation of single layer graphite structures produced on pt(111) by hydrocarbon decomposition
14
Nanotube molecular wires as chemical sensors
15
Sensitivity of single multiwalled carbon nanotubes to the environment
16
Molecular electronics: From devices and interconnect to circuits and architecture
 
第三部分为引用经典文献的文献。文献间的引用关系表明了文献间知识上的相关性。海姆与诺沃肖洛夫二人2004年后发表的文献中,有五篇在SCI中的被引次数超过1000次。这五篇文献的标题见表2
 
海姆与诺沃肖洛夫被引频次最高的五篇文献
序号
        
被引频次
1
Electric field effect in atomically thin carbon films

5371
2
The rise of graphene

3781
3
Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene

3548
4
Raman spectrum of graphene and graphene layers

1184
5
Two-dimensional atomic crystals

1107
 
2中第一篇文献是海姆与诺沃肖洛夫发现石墨烯的经典文献,其余四篇文献在标题中都含有主题词“graphene”(石墨烯)。引用这些文献的文献则可以视为与石墨烯有研究相关。以上述三种方式在web of science中进行检索,合并去重后得到的数据可以认为基本覆盖了石墨烯的相关研究。
2.2  检索结果与数据处理
按前述检索策略,在web of science中检索,结果见下表3,这些文献的年度分布见图1
 
3.3  石墨烯数据检索结果
步骤
        
检索结果

1
主题检索,检索词为“graphene”

检索式为TS= “graphen*”

时间范围:1945年至20111018号;文献类型:论文(article

12947
2
文献耦合;时间范围:2004年以前(含2004年);

文献类型:论文(article

1083
3
被引参考文献检索 ;文献类型:论文(article

7937
合并去重总计:14531

1 石墨烯研究文献年度分布
 
1表明文献在年度间的分布极不均衡。为了便于统计分析,本文采用如下原则对文献进行分组:1)由于石墨烯的发现是在2004年,故以2004年为界,2004年(含2004年)的文献为一组。22005年后的文献以组内文献数量差异最小且同一年度内的文献不得分割为原则进行分组。分组结果见表4
 
石墨烯研究文献分组结果表
组别
时间段
时间标记
所含文献数量
1
1956—2004
2004
2023
2
2005—2008
2006
2753
3
2009
2009
2163
4
2010
2010
3609
5
2011
2011
3985
 

3.    结果与讨论
利用CitespaceII[9]软件对处理后的数据进行共被引分析。时间范围设置为2004年至2011年;时间间隔为1年;三阶段阈值(ccc ccv)分别设置为(45450.16)、(60600.16)、(60600.16)。各时间段数据处理结果见下表5
石墨烯研究文献各阶段处理结果
时间段
时间标记
阈值
参考文献数
节点数
边数
1956—2004
2004
45450.16
28587
51
264
2005—2008
2006
52520.16
33377
122
845
2009
2009
60600.16
27973
82
571
2010
2010
60600.16
46893
148
958
2011
2011
60600.16
61121
149
817
去重后合计
283
2337
在表5中,阈值一栏中的数值表示CitespaceII软件根据插值算法分配给各时间段的阈值。如2009年时间段的阈值为(60600.16),表示在这一时间段只分析出现次数达到60次或以上,并与其他参考文献共现值达到60次或以上的参考文献。0.16表示只统计达到上述阈值的节点间按余弦指数计算的共现强度达到或超过0.16的连接边。参考文献数为该时间段文献中所含的全部参考文献。节点数表示达到阈值的参考文献数量。边数为这些节点间达到共现强度阈值的连接边数。最后的合计表示合并重复的参考文献后得到的各时间段节点数与边数的总和。通过CitespaceII的可视化功能,生成上述分析结果的共被引知识图谱。见图2
 
石墨烯共被引知识图谱
 
在图2中,各个时间段节点间的连线用冷色调至暧色调的变迁加以表示。如左下方的深蓝色连线表示其生成的时间为1956年—2004年,淡蓝色的部分为2005年至2008年的数据形成的连线,绿色连线代表2009年,黄色代表2010年,橙黄色代表2011年。连线的粗细取决于两个节点的共现强度。节点的大小与其在达到阈值的数据集中被引频次成正比,点越大表明被引次数越高。外圈为紫红色的节点表示其在共被引网络中具有较高的中介中心度值(≥0.1),它们在整个共被引网络中起着知识转折和桥梁的作用。图2中黑色字体标示出了部分高中介中心度节点的基本信息。表6列出了中介中心度值大于等于0.05的节点文献信息,包括标题、作者、被引频次和中介中心度值。文献按发表时间升序排列。
 
中介中心度值大于等于0.05的节点文献指标统计
序号
 
频次

中心性

        
1
Hummers WS
1958
1092
0.1
Preparation of graphite oxide(石墨烯氧化物制备)

2
Iijima S
1991
1119
 0.13
Helical microtubules of graphitic carbon

(石墨碳螺旋微管)

3
Nakada K
1996
798
 0.57
Edge state in graphene ribbons: Nanometer size

 effect and edge shape dependence(石墨烯纳米带

的边缘态:纳米尺度效应与边缘形状依赖)

 

 

续前表
4
Dresselhaus MS
1996
240
 0.28
Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes

(关于富勒烯与碳纳米管的科学)

5
Perdew JP
1996
789
0.07
Generalized Gradient Approximation Made Simple

(广义梯度近似简化)

6
Saito R
1998
463
0.54
Physical properties of Carbon Nanotubes

(碳纳米管的物理特征)

7
Wildoer JWG
1998
189
0.13
Electronic structure of atomically resolved

carbon nanotubes(原子层面下决定碳纳米管

的电子结构)

8
Odom TW
1998
202
0.11
Atomic structure and electronic properties

of single-walled carbon nanotubes(单壁碳纳米管的

原子结构与电子特征)

9
Kong J
2000
467
0.2
Nanotube Molecular Wires as Chemical Sensors

(做为化学传感器的纳米管分子线)

10
Novoselov KS
2004
4976
0.53
Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films

(原子级碳薄膜中的电场效应)

11
Novoselov KS
2005
3337
0.21
Two-dimensional gas of massless Dirac fermions

in graphene(石墨烯中无质量狄拉克费米子二维气体)

12
Zhang YB
2005
2859
0.14
Experimental observation of the quantum Hall effect

and Berry's phase in graphene(对石墨烯中量子霍

尔效应与贝里相位的实验观察)

13
Berger C
2006
1364
0.11
Electronic Confinement and Coherence in

Patterned Epitaxial Graphene(石墨烯磊晶中的电子监禁与相干性)

14
Stankovich S
2006
1207
0.06
Graphene-based composite materials.

(石墨烯复合材料)

15
Ferrari AC
2006
1119
0.05
Raman spectroscopy of graphene and graphite:

Disorder, electron–phonon coupling, doping

and nonadiabatic effects(石墨与石墨烯的拉曼光谱:

失序、电声子耦合、杂质与非隔热效应)

16
Son YW
2006
776
0.05
Energy Gaps in Graphene Nanoribbons

(石墨烯纳米带的能隙)

17
Geim AK
2007
3489
0.24
The rise of graphene(石墨烯的兴起)

18
Stankovich S
2007
837
0.05
Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide(通过对氧化外延型石墨的化学还原合成石墨烯基纳米片)

19
Li XL
2008
847
0.07
Chemically Derived, Ultrasmooth Graphene Nanoribbon Semiconductors

(用化学方法制备超平滑石墨烯纳米带半导体)

20
Li D
2008
790
0.06
Graphene-Based Materials(石墨烯材料)

21
Park S
2009
508
0.05
Colloidal suspensions of highly reduced graphene oxide in a wide variety of organic solvents(在各类有机溶剂中高还原石墨烯氧化物的胶态悬浮)

这些文献构成了石墨烯发现前后的知识链条。在这个链条中,凯姆是两篇关键节点文献的通讯作者:1Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes(单壁碳纳米管的原子结构与电子特征)2Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene(对石墨烯中量子霍尔效应与贝里相位的实验观察)。这两篇文献在石墨烯发现前后的链条中都具有较高的中介中心度值,其中后一篇有关石墨烯重要性质的文献(量子霍尔效应与无质量狄拉克费米子)的被引频次达到2859次。前一篇发表于1998年,后一篇发表于2005年,表明凯姆在石墨烯发现前后都起到了重要的作用。尤其是2005年的文献,直接引发研究石墨烯的链式效应与热潮,并使人们看到石墨烯在电子工业领域的广泛应用及其前景。另一方面,希尔只有一篇文献在链条中处于关键位置:发表于2006年的Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene(石墨烯磊晶中的电子监禁与相干性,希尔是通讯作者)。这表明希尔在石墨烯了现后做出了比较重要的贡献,但在石墨烯发现前所做的研究相对普通,并不象他在质疑信中所言对石墨烯的发现起到关键作用。虽然希尔较早在基底上生长出石墨烯,但是他并没有进一步对石墨烯的各项性质展开相应的研究,说明其并未意识到石墨烯发现所具有的重要意义。石墨烯发现前后的文献链条,既表明海姆等人获奖的合理性,也佐证了海姆关于凯姆应当共享诺贝尔奖的观点。
参考文献
[2] Price D. Networks of scientific papers[J]. Science, 1965, 149(3683): 510-515.
[3] Small H. Cocitation in scientific literature: new measure of relationship between 2 documents[J]. Journal of the American Society For Information Science, 1973, 24(4): 265-269.
[4] Chen C, Chen Y, Horowitz M, et al. Towards an explanatory and computational theory of scientific discovery[J]. Journal of Informetrics, 2009, 3(3): 191-209.
[5] Burt R S. Structural holes[M]. Boston: Harvard University Press, 1992: 311.
[6] Freeman L C. Centrality in social networks conceptual clarification[J]. Social networks, 1979, 1(3): 215-239.
[7] Kessler M M. Bibliographic coupling between scientific papers[J]. American documentation, 1963, 14(1): 10-25.
[8] Kessler M M. An experiment in playmaking through a creative approach with high school seniors[J]. IEEE Transactions on Information Theory IT-9, 1963: 49-51.
[9] Chen C. Citespace ii: detecting and visualizing emerging trends and transient patterns in scientific literature[J]. Journal of the American Society for Information Science and Technology, 2006, 57(3): 359-377.
 

  (1975-),女,大连理工大学WISE实验室副教授,博士生导师,研究方向为科学计量,科研评价,情报分析。
邢黎黎(),女,大连理工大学WISE实验室硕士生,研究方向为科学计量,区域经济。

  (1970-),男,大连理工大学WISE实验室博士生,现为郑州航空工业管理学院讲师,研究方向为科学计量,科研评价,情报分析。



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