該文旨在把握全球石墨烯研發(fā)的整體布局和發(fā)展趨勢。依托美國化學文摘社提供的結(jié)構(gòu)化文獻信息數(shù)據(jù)，利用計量分析及文本挖掘等方法，該文分析了石墨烯科研產(chǎn)出的發(fā)展趨勢、研究主題布局、主題演進方向、物質(zhì)性能用途分布、國家/地區(qū)分布、潛在競爭機構(gòu)等，深度揭示全球石墨烯研發(fā)的主題布局及研發(fā)動向，為科學家、科研決策者、科研管理專家、政策專家、產(chǎn)業(yè)專家、企業(yè)及投資管理者提供有價值的參考，有助于掌握科研布局和動向。

1　引言

在國際視野下，知識與創(chuàng)新的世界版圖出現(xiàn)新格局，科技創(chuàng)新活動的全球分布及研發(fā)模式正在發(fā)生新變化，洞悉全球新興科研領(lǐng)域的整體布局，把握世界科技發(fā)展趨勢，是國家決策者、科技政策研究者及科學研究者長期關(guān)注的問題。對關(guān)鍵科技領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢的現(xiàn)狀及其變化進行動態(tài)監(jiān)測與跟蹤，并進行客觀、科學與系統(tǒng)的研究與剖析，是科研管理者長期關(guān)注的問題之一。

新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。作為新材料界的璀璨明珠，石墨烯具有優(yōu)異的電學、熱學、光學等性能，在能源、環(huán)境、電子、生物等多個領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力，成為主導未來高科技競爭的重要戰(zhàn)略 材料，引起了全球廣泛的關(guān)注。世界各國紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)作為長期戰(zhàn)略予以重點關(guān)注，相繼開展了大量石墨烯研發(fā)計劃和項目并進行差異化研發(fā)布局，力爭占據(jù)關(guān)鍵科技領(lǐng)域的制高點，形成科技、產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟的國際競爭優(yōu)勢。

為把握全球石墨烯研發(fā)的整體布局和發(fā)展趨勢，在中國科學院發(fā)展規(guī)劃局的指導下，中國科學院文獻情報中心與美國化學文摘社（CAS）合作，依托美國化學文摘社提供的結(jié)構(gòu)化文獻信息數(shù)據(jù)，利用計量分析及文本挖掘等方法，分析了石墨烯科研產(chǎn)出的發(fā)展趨勢、研究主題布局、主題演進方向、物質(zhì)性能用途分布、國家/地區(qū)分布、潛在競爭機構(gòu)等，深度揭示全球石墨烯研發(fā)的主題布局及研發(fā)動向。

2　數(shù)據(jù)及方法

2.1　數(shù)據(jù)來源

本文的分析對象為美國化學文摘社提供的石墨烯相關(guān)的論文及專利文獻，截至2016年4月5日，共獲取到78 756 篇論文，23 057件專利（指專利申請量）。通過人工辨析解讀后，開發(fā)數(shù)據(jù)解析工具將原始數(shù)據(jù)生成可分析的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。CAS所提供的出版物標引是本研究報告的基礎(chǔ)，報告中利用CAS所提供的主題標引、概念標引、物質(zhì)標引、商業(yè)或政府機構(gòu)標引、出版來源標引和其他多種標引數(shù)據(jù)，對不同時間段石墨烯研究及其后續(xù)開發(fā)相關(guān)信息進行了對比研究。

2.2　研究方法

論文在某種程度上代表了基礎(chǔ)研究的成果, 專利文獻更多地體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)技術(shù)成果。CAS數(shù)據(jù)對論文和專利的統(tǒng)一標引有利于發(fā)現(xiàn)研究成果與產(chǎn)業(yè)技術(shù)成果中全部的技術(shù)主 題，并有助于對比分析基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)技術(shù)之間的關(guān)系。

本文用定量分析方法分析了石墨烯科研產(chǎn)出的發(fā)展趨勢、研究主題布局、國家/地區(qū)分布、潛在競爭機構(gòu)等。此外，充分利用CAS對專利和論文數(shù)據(jù)的多維度、多層級共標引特性，采用共詞對比分析、文本聚類技術(shù)、 共詞網(wǎng)絡(luò)分析、專利分析等方法對石墨烯領(lǐng)域的技術(shù)主題進行多維度組合分析。同時結(jié)合時間切片，對石墨烯主題演進進行了深度分析和挖掘。

3　石墨烯研發(fā)整體態(tài)勢

2004年，石墨烯的成功分離激發(fā)了全球范圍內(nèi)的石墨烯研發(fā)熱潮（圖1），論文及專利量在2005、2006年增長速度加快，2007年開始，論文及專利量快速增多；2010年后石墨烯研發(fā)進入快速發(fā)展的活躍期。

全球50%以上的石墨烯研究論文及專利主要集中在2014年至2016年。近3 年以來，論文發(fā)表及專利申請仍然保持上升的態(tài)勢，表明石墨烯的基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用仍在快速發(fā)展之中。

從石墨烯論文的國家/地區(qū)分布上看（圖2），論文產(chǎn)出的前5位國家為中國（數(shù)據(jù)沒有涵蓋港澳臺地區(qū)，下同）、美國、韓國、日本和印度，該5個國家的論文總量占全球論文總量的64.3%。從石墨烯專利申請區(qū)域分布上看，專利申請量前5位國家為中國、韓國、美國、日本和德國，5國專利總量占全球?qū)＠偭康?0%以上。

對5個主要石墨烯專利來源國之間的專利申請流向進行分析（圖3，箭頭的粗細代表專利比例的高低），石墨烯專利流向美國、中國居多。中國專利申請量雖然高，但在韓國、日本、美國、德國4國的專利布局占比僅有2.3%；而韓國、美國、日本、德國各自在其他4國的專利布局占比分別為27.8%、24.8%、32.3%、45.3%。相對而言，中國專利在其他國家的布局較為薄弱。

對全球石墨烯研究機構(gòu)進行分析（表1），發(fā)現(xiàn)論文產(chǎn)出數(shù)量前10的機構(gòu)中，來自于中國的機構(gòu)共5個，在數(shù)量上占有優(yōu)勢；美國機構(gòu)有2個，日本和俄羅斯各1個。從論文產(chǎn)出量前10機構(gòu)的核心技術(shù)主題來看，石 墨烯及其復合材料的新型制備方法是各國的研究熱點。中國機構(gòu)發(fā)表的論文側(cè)重于傳感器、電子和光電、電池等應(yīng)用領(lǐng)域。美國機構(gòu)發(fā)表的論文側(cè)重于光電性能、電子結(jié)構(gòu)、薄膜晶體管、半導體器件等應(yīng)用領(lǐng)域。新加坡機構(gòu)發(fā)表的論文側(cè)重于電子和光電、電池等應(yīng)用領(lǐng)域。 

對全球?qū)＠暾埲诉M行分析（表2），專利申請數(shù)量排名前10的申請人中，有6個來自中國，3個來自韓國，1個來自美國。從石墨烯專利申請機構(gòu)的性質(zhì)上來看，中國以科研院所主導，企業(yè)在韓國、美國的專利申 請中占相對重要的地位。從機構(gòu)申請專利的技術(shù)主題上看，中國主要研究機構(gòu)申請的專利多為制備、電池、復合材料等領(lǐng)域。韓國主要機構(gòu)申請的專利多為半導體器件、電池等領(lǐng)域。美國主要機構(gòu)申請的專利多為半導體器件等領(lǐng)域。

4　領(lǐng)域、主題分布及演進

利用CAS提供的學科分類，對石墨烯的總體研究領(lǐng)域布局進行了分析（圖4），石墨烯的研究論文和專利主要分布在電現(xiàn)象、電化學、放射及熱能技術(shù)、光學、電子、質(zhì)譜和其他相關(guān)屬性、表面化學和膠體、硅酸鹽、 物理化學、生物化學方法、塑料生產(chǎn)與加工、電化學、磁現(xiàn)象等領(lǐng)域。其中，電化學、放射及熱能技術(shù)領(lǐng)域，光學、電子、質(zhì)譜和其他相關(guān)屬性領(lǐng)域，生物化學方法，塑料生產(chǎn)與加工，電化學領(lǐng)域近年來研究比重逐年增大。

利用CAS提供的物質(zhì)性能用途標引數(shù)據(jù)，分析全球石墨烯涉及物質(zhì)的性能用途分布如下：（1）39.9%的物 質(zhì)為應(yīng)用研究（USES），含技術(shù)工程材料（technical or engineered materialuse，TEM）、改性劑或添加劑（modifier or additive use，MOA）、催化劑（catalyst use，CAT）及其他應(yīng)用（other use, unclassified，NUU） 等；（2）20.8%的物質(zhì)為性能（properties，PRP）及納米材料(nanoscale substances/materials，NAN）等其他方面的研究；（3）18.6%的物質(zhì)為工藝研究（process，PROC），包含物理、工程及化工工藝（physical, engineering or chemical process，PEP）、去除或處理 （removal or disposal，REM）等（圖5）。

對物質(zhì)在性能方面的研究自2006年后大幅下降；對物質(zhì)在納米材料、工業(yè)生產(chǎn)、反應(yīng)物、催化劑等方面的研究在2009年后呈下降趨勢；對物質(zhì)在物理、工程及化工工藝方面的研究自2011年后保持平穩(wěn)發(fā)展；對物質(zhì)在技術(shù)工程材料、分析物、生物研究、聚合物材料等方面研究自2012年后呈下降趨勢。相反，對物質(zhì)在生物應(yīng)用方面的研究自2008年后呈現(xiàn)上升趨勢，對物質(zhì)在改性劑 或添加劑、污染物、去除或處理等方面的研究在2012年后呈現(xiàn)上升趨勢。石墨烯研究文獻中涉及物質(zhì)的主要性 能用途近年來的份額呈下降趨勢，作為生物應(yīng)用、改性劑或添加劑，污染物及去除或處理等方面的研究成為新的關(guān)注點。

利用美國化學文摘社提供的深度標引，對1985年至2016年間10萬余篇石墨烯相關(guān)的研究論文和專利的進行主題聚類分析，當前石墨烯材料和應(yīng)用技術(shù)形成了相對固定的領(lǐng)域布局，主要分布在電學性能研究、石墨烯復合材料、材料性能與制備、聚合物、傳感器、半導體器件、電池、電容器等領(lǐng)域（圖6）。

石墨烯研發(fā)的主題詞在不斷擴展，涵蓋的范圍更寬。2010－2011年間，新出現(xiàn)的主題詞占45.7%，石墨烯研究不斷向器件方向演進；2012－2013年間新出現(xiàn)的研究主題詞占比38.9%；2014年至今新出現(xiàn)的研究主題詞占比29.0%，新興主題詞所占比例逐漸減少，石墨烯“破繭”之勢漸緩（圖7）。

5 結(jié)論與展望

石墨烯作為新材料界的新星，自2004年正式面世到現(xiàn)在，在短短的十余年間，獲得了廣泛的關(guān)注，并取得了飛速的發(fā)展。全球石墨烯研發(fā)競爭日趨激烈，中國、美國、韓國、日本等主要的技術(shù)原創(chuàng)國家已逐漸形成技 術(shù)優(yōu)勢和競爭格局。石墨烯相關(guān)研究從材料力學及電子學性能的基礎(chǔ)研究延伸至電池、電容器、半導體、傳感 器件、高分子納米復合材料等應(yīng)用領(lǐng)域，未來應(yīng)用領(lǐng)域 還將不斷拓展，市場發(fā)展前景可期。

在能源應(yīng)用領(lǐng)域，石墨烯作為新型儲能材料，電極材料、導熱/散熱材料，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。在生物應(yīng)用領(lǐng)域，石墨烯材料的生物傳感器、復合功能材料在醫(yī)學領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在電子學應(yīng)用領(lǐng) 域，石墨烯在新型光電領(lǐng)域、智能電子領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值，同時石墨烯給現(xiàn)有的半導體工業(yè)注入新的活力。石墨烯的研發(fā)已呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但尚需在 制備方法和工藝上進行新的突破，以實現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用 與產(chǎn)業(yè)化，引領(lǐng)多領(lǐng)域新材料新時代的變革。

石墨烯在能源、生物學、電子學、和其他材料制成的納米復合材料等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用對石墨烯的低成本綠色制備、高質(zhì)量精細結(jié)構(gòu)調(diào)控以及多級次多功能組裝與集成提出了越來越高的要求。制備工藝將呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，對制備方法和技術(shù)進行研發(fā)、改進和優(yōu)化成為研究的熱點，以提高并最大限度地發(fā)揮石墨烯各方面的優(yōu)異性能。

石墨烯的研發(fā)已呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但尚需在制備方法和工藝上進行新的突破，以實現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化，引領(lǐng)多領(lǐng)域新材料新時代的變革。