基于CiteSpace的激光荧光材料发展综述

王明恩,吴 荻,徐卫平,张太华,张建龙,马志豪

(贵州师范大学机械与电气工程学院,贵州 贵阳 550025)

1 引 言

自20世纪60年代诞生LED以来,固态照明(SSL)引起了人们的极大兴趣。但LED在高功率密度下,效率下降是亟待解决的问题,作为LED的替代者,激光照明是一种可能的解决方案。理论上激光照明可以在更高的电流密度下实现高效率,因为当电流达到阈值之后,俄歇复合不再增长,当电流达到阈值后,激光照明的电光转换效率随着输入功率密度的增加而不断提高。激光照明具有节能、低污染、高效率等优点,可应用在激光投影仪、汽车大灯、高亮度照明等领域。随着激光照明的发展,学术界对激光照明的关注度不断提高,研究成果不断积累,据此一些学者针对激光照明研究所取得的成果做了回顾和展望[1-7]。上述研究虽然为促进激光荧光材料的研究奠定了基础,但无法从整体角度对其研究成果进行梳理,也无法发现研究内容之间的知识脉络关系。

因此,本文基于Web Of Science(WOS)数据库中2015-2021年的文献数据,通过CiteSpace对荧光薄膜、PiG、荧光陶瓷和玻璃陶瓷等激光荧光材料进行文献计量与知识图谱分析,直观反映激光荧光材料的研究现状及热点,为后续研究提供依据。

2 研究来源与研究方法

科学计量分析是处理数据和信息可视化的有效方法,可用于检测研究前沿、研究热点以及跟踪某一领域的重大变化[8]。为了避免主观性,科学计量分析基于文献数据库中的大量文献进行可视化分析,该方法被视为了解研究主题、总结发展路径和预测未来趋势的流行工具。

本文研究的数据来源于WOS核心合集数据库,以“laser”为主题词,“phosphor、phosphor in glass、phosphor ceramics、phosphor film、glass ceramics、transparent ceramics”为摘要词进行检索,搜索日期截止到2021年9月5日,对数据进行整理后共得到2715条数据,检索到的文献在2015-2021年之间。如表1所示,该表为不同摘要词所对应的数据数量。并以此为研究对象。

本文研究方法是对2715条数据进行文献计量分析,借助CiteSpace软件对数据进行知识图谱分析,文献计量主要对每年发表的文献数据进行统计,运用知识图谱分析法分别对关键词、作者、机构及发文期刊等进行脉络梳理,并以此为研究对象,绘制关键词、作者、机构及发文期刊分布图和频次表,以可视化手段直观地反应激光荧光材料不同研究间的内在联系。

3 结果与讨论

对2715条数据进行筛选,剔除与激光荧光材料无关的数据,经CiteSpace软件的“Data Processing Utilities”进行数据处理,最后得到的数据为2034条。

3.1 发文量分析

在WOS核心合集数据库中检索到的数据,在2015年突然出现235篇关于激光荧光材料的文献,在2015-2018年间,文献数量逐渐上升,直至2018、2019年文献到达最高的324篇文献。自2015-2021年间平均发文量为291篇。

图1 文献年度分布Fig.1 The annual distribution of literatures

3.2 研究热点分析

3.2.1 关键词共现分析

关键词是对文章核心内容的强调和突出[9]。采用CiteSpace.5.7.R5 软件绘制了激光荧光材料的关键词共视图(如图2 所示)。其中关键词的频次越高,关键词所在的十字型节点的越大,各节点间的连线表示相关研究的关联性。对关键词进行梳理,“luminescence”出现频次高达422,关键词出现频次最低为2。根据齐普夫定律推导公式(1)(高低词频临界值模型),可计算出领域内的高低词频临界值[10]:

(1)

其中，I1表示出现最低频次的数量。

运用CiteSpace提取到的激光荧光材料的关键词476个,其中词频为2的关键词个数为46,由公式(1)计算的,K2≈9,即关键词个数大于9的激光荧光材料领域的高频关键词有199个。如表2所示,选取词频位于前40位的高频关键词。在所有的高频关键词里,关于荧光材料的关键词占比为20.1 %,包括“phosphor,nanocrystal,nanoparticle,transparent ceramics,ceramics,glass ceramics,ceramic phosphor,YAG”等关键词,其中玻璃陶瓷、透明陶瓷以及纳米晶体词频较高；关于稀土离子的关键词占比为10.5 %,包括“Er,Yb,Eu,Dy,Ho”等离子,其中,添加稀土离子在改变荧光材料的发光特性上具有极其重要的作用。

图2 关键词共视图Fig.2 Keywords co-occurrence network map

表2 词频位于前40位的高频关键词表Tab.2 The list of high-frequency keywords with word frequencies in the top 40

3.2.2 突显关键词与年度热词

凸显词指在较短时间内出现较多或使用频率较高的词,根据当前统计的凸显词的词频变化可以判断研究领域的前沿与趋势[11]。基于CiteSpace的凸显词分析,得到激光荧光材料凸显主题及对应的凸显率(如图3所示)。“optical material、stability、emitting phosphor、Mn4+、system、thermal stability、ytterbium、remote phosphor、solid-state laser、robust、laser lighting、single crystal phosphor”等25个凸显词是激光荧光材料研究的热点,其中凸显强度最高的是optical material明显高于其他凸显词,出现年份也最早。出现在2019-2021年的有“stability、emitting phosphor、Mn4+、thermal stability、remote phosphor、solid-state laser、robust、laser lighting、single crystal phosphor”,出现在2018-2019年的有“CaF2、optical spectroscopy、persistent luminescence、up conversion emission、oxyfluoride gla”,这在一定程度上说明,目前激光荧光材料研究前沿主要体现在optical material、stability、emitting phosphor、Mn4+、thermal stability、remote phosphor、solid-state laser、robust、laser lighting、single crystal phosphor等主题。

图3 关键词凸显率Fig.3 The prominence rate of keywords

对激光荧光材料领域的476个关键词进行筛选,通过年份计数法将本年关键词强度等于4的关键词进行归类统计,将其归纳到关键词强度的出现年份,得到激光荧光材料领域的年度热词归纳表,如表3所示。

表3 激光荧光材料领域年度热词Tab.3 Buzzwords of the year in the field of laser phosphors

由表3可知,在2015年,学者们对纳米晶、颗粒以及稀土离子的研究程度较强,在2016年出现氟化物、制备方法以及拉曼光谱,直至2018年出现碲酸盐玻璃以及2020年出现的镁铝尖晶石,2021年又出现了阳离子取代和蓝色荧光粉。由此表明,对于激光荧光材料的研究趋向微观化和多方向化,而激光照明在激光大灯[12-14]、激光电视[15-20]、医疗[21-22]等方面的应用也将会促进激光荧光材料的不断发展。

3.2.3 关键词聚类分析

激光荧光材料领域的相关研究与应用,造成该领域以激光照明为核心的相关研究日益多元化,不仅研究的内容繁多,而且比较分散。因此,本文对476个关键词进行聚类分析,并根据各聚类关键词的组成,总结出各聚类的名称与研究内容,以梳理激光荧光材料研究的整体框架,探究目前激光照明相关研究的主要领域,使相关研究更加体系化,也为预测未来激光荧光材料热门研究奠定基础。本文采用UltraEdit 对关键词去重,然后通过CiteSpace软件对关键词进行聚类分析,阈值选择为2,最终生成8个聚类(表4)。

表4 关键词聚类Tab.4 Keyword clustering

由表2可知,8个聚类由不同的研究内容组成,代表8种不同研究方向,即目前激光荧光材料的相关研究主要集中在pulsed laser deposition、transparent ceramics、upconversion、laser lighting、phosphor thermometry、luminescence property、preparation和crystallization的8个领域。

3.3 发文作者分析

在CiteSpace中,通过文献计量分析发文作者,可以寻找某个领域内的核心作者,进而发现研究该领域的中坚力量,为研究人员提供研究方向的依据。核心作者是在某个领域内,发文量较多且有较大影响力的研究人员。本文依据普赖斯公式进行统计分析[11]:

(2)

式中,M为核心作者发文量的临界值;Nmax为在统计年限内发文量最多的作者的发文数量,经统计,Nmax≈ 61,将Nmax带入式(2)中,得到M=6,即发文量为6及以上的作者为激光荧光材料领域的核心作者。据统计结果显示,发文作者共有410人,核心作者有91人,约占总人数的21.7 %,总发文量为1008篇,约占总发文量的49.6 %,符合普赖斯理论中“核心作者发文数量占总发文数量50 %”的观点[23]。

图4为发文作者分布图,由图6左上角的信息显示:N=410,E= 684,Density = 0.0082。其中,N为节点数,表示此种参数组合下提取的作者数量；E为连线数,表示不同作者间的合作程度；Density 表示网络密度[24]。

图4 发文作者分布图Fig.4 Distribution of authors

图4中的连线数大于节点数,说明在激光荧光材料研究中,作者间的联系较多,密度较高。其中,存在少数的单点,说明有少数学者处于独立研究状态；还有6个较大的合作研究网络群,以李江、邱建荣、解荣军、潘裕柏等作者为中心点的合作研究网络最为紧密,且处于同一个网格之中,且在该网络中有高达47位核心作者,占核心作者总人数的51.6 %,有可能是实验室间相互合作或者同门之间的相互合作。发文量最多的核心作者是中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李江,发文61篇,其次是浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的教授邱建荣发文33篇,还有厦门大学教授解荣军、上海硅酸盐研究所研究员潘裕柏、印度理工学院应用物理系激光和光谱实验室的Vineet Kumar Rai、南非自由州大学物理系的Swart,Hendrik C等作者为发文量在20篇以上核心作者。

3.4 发文机构分析

通过CiteSpace软件对发文作者的所属机构进行分析,发现本次研究的作者分布在333个机构中,其中,发文量最多的机构是中国科学院,一共发文227篇,其次是中国科学院大学发文94篇、俄罗斯科学院发文61篇、华南理工大学发文49篇、江苏师范大学发文48篇、浙江大学发文37篇、南非自由州大学发文36篇、江苏大学发文34篇、上海交通大学自然科学研究院发文32篇、武汉理工大学发文31篇、长春科技大学及厦门大学分别发文30篇。

中心度和频次是判断某个研究领域的研究热度的标准,如图5所示,节点半径越大,中心度越高,说明处于该研究领域的核心地位的程度越高,影响力越强。中心频度大于 0.1 的机构,普遍被认为其在该研究领域的影响力较大[25]。中心度超过0.1的机构有Chinese Acad Sci、Univ Free State、Jiangsu Univ、Russian Acad Sci、Natl Inst Laser Plasma & Radiat Phys、Natl Taiwan Univ、Osaka Univ、NAS Ukraine,如表5所示,其中以中国科学院的发文数量以及中心度最高,在激光荧光材料领域的影响也是最大的。

图5 机构分布图Fig.5 Mechanism distribution diagram

表5 中心度大于0.1的机构Tab.5 A mechanism with a centrality greater than 0.1

3.5 发文期刊分析

对刊发学术文献的期刊进行分析,有助于了解该研究领域的核心期刊群,为学者选择文献发表平台、搜索资料提供指导[26]。本文对筛选出来的2034条文献数据进行分析,共有382种刊物。将分析的期刊刊载量按递减顺序排列,根据布拉德福定律,可把该领域的期刊分为核心区期刊、相关区期刊和非相关区期刊 3种类型[27]。其计算公式如下:

r0=2ln(eE×Y)

(3)

式中,r0为核心区期刊;E为欧拉系数(E= 0.5772);Y为当前研究数据中最大载文量期刊的载文量。本次研究数据中,Y=149,计算得到r0≈ 11,即处于核心地位的期刊为11种,占总期刊数的7.3 %。其中,载文量最多的期刊是JOURNAL OF LUMINESCENCE,载文量为149。表6中是目前刊载激光荧光材料研究成果的主要期刊,反映出这些期刊的办刊宗旨及对刊发激光荧光材料研究成果的倾向。由表6可知核心区的出版物共刊文816 篇,占发文总量的40.1 %,已经超过布拉福德定律中,核心区期刊载文量需占总刊文量 1/3 的要求,说明激光荧光材料领域的研究成果分布集中,已经形成大规模的主流核心区期刊。

表6 核心期刊表Tab.6 List of core journals

4 荧光材料分析

在激光照明中,对荧光薄膜、荧光玻璃、荧光陶瓷(包括透明陶瓷)和玻璃陶瓷性能评估,如表7所示。荧光陶瓷和玻璃陶瓷的导热性能和饱和阈值远比荧光薄膜、荧光玻璃要高,但相对于成本却相反。同时在制备过程中,荧光陶瓷与玻璃陶瓷制备工艺复杂,通过高温烧结制备,而荧光玻璃制备工艺相对简单,烧结温度较低,薄膜制备工艺较为简单,烧结温度更低。

表7 荧光薄膜、PiG、荧光陶瓷和玻璃陶瓷性能评估Tab.7 Evaluation of phosphor film,PiG,ceramic phosphor and glass-ceramic

荧光玻璃是荧光粉与玻璃的简单混合物,比其他荧光转换材料更容易制备。同时在玻璃基体中可以混入包括氧化物、氟化物、硫化物、氮化物、氧氟化物、氧硫化物和氧氮化物等化合物,但荧光粉需要避免在烧结过程中的热分解,因此商用荧光粉,如钇铝石榴石系荧光粉,CASN∶Eu2+荧光粉和β-SiAlON∶Eu2+荧光粉,由于热稳定性高而被广泛应用。合成了以硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、重金属氧化物、碲酸盐和氟氧化物为基质的各种玻璃基体。荧光薄膜通常选用高导热材料作为衬底,在衬底上烧结荧光薄膜。一般的,在透射模式下,高导热衬底具有一定透射率；而在反射模式下,高导热衬底上与荧光薄膜烧结的一面必须具有较强的反射性。高导热衬底极大的提高了薄膜承受的激光激发功率,所以在散热能力上,荧光薄膜与衬底结合体要比荧光玻璃效果好。对于荧光薄膜和荧光玻璃,散热一直是一个显著的问题,荧光薄膜是通过改善基底的热导性来提高散热,而荧光玻璃则是通过对玻璃基体掺杂SiO2、Al2O3等化合物进行散热。

而荧光陶瓷与荧光晶体本身具有良好的热导率和机械强度,但玻璃陶瓷与前两者相比,在热导率和机械强度方面稍差一点,而且荧光陶瓷和荧光晶体与其他三种荧光转换材料相比,热导率最佳,但其制备工艺与其他三者相比也较为复杂,不利于大规模生产。玻璃陶瓷则结合了玻璃的高透光率、陶瓷的热稳定性和良好化学稳定性。在热导率和热稳定性方面,比PiG要好。玻璃陶瓷的制备方法主要有成核生长法[29]、共烧法等。复合玻璃陶瓷中可以有多个发光中心,能很好地改善产生暖白光的色度。

激光照明以节能、低污染、高效率等优点成为当前研究的热点,荧光薄膜、PiG、荧光陶瓷、玻璃陶瓷、荧光晶体,被认为是激光照明应用的候选荧光转换材料。荧光薄膜在实验过程中,主要存在三个问题:(a)由于在高温烧结过程中,薄膜的膨胀收缩不一致,使得荧光薄膜出现裂纹；(b)如何把控薄膜厚度与发射光的匹配问题,薄膜的厚度直接影响透光率；(c)薄膜与衬底之间在烧结时,存在一定的缺陷。荧光玻璃在制备过程中,将荧光粉与玻璃基体混合烧结,容易发生化合反应,影响发光性能；其次,荧光玻璃中荧光粉含量少,使得发光中心减少,直接降低了PiG的光转换效率。荧光陶瓷的单一发光色、制备过程中的缺陷和孔隙率高,一直阻碍荧光陶瓷发光性能的提高。在掺杂其他的荧光陶瓷粉制备时,往往会产生荧光粉的化学反应问题,仍未得到很好的改善；对于荧光陶瓷中的孔隙率的控制,将会直接影响荧光陶瓷的发光性能,适当的孔隙率对荧光陶瓷是有利的。玻璃陶瓷在高温熔融过程中,荧光相容易被玻璃相侵蚀。对于烧结玻璃陶瓷,它可以同时克服PiG的不均匀分散和析晶玻璃陶瓷的高温固相反应。荧光晶体的生长耗时长,工艺要求比较高,批量生长出大尺寸高质量的荧光晶体也十分困难。其次,提拉法生长的单晶存在分凝现象[29-30],导致稀土离子在晶体中的浓度分布不均匀。

5 结束语

本研究的分析样本来源于Web Of Science(WOS)核心合集数据库中2015-2021年2034条文献数据,改变了以前传统的定性分析以及描述统计,通过文献计量与知识图谱分析的方法,揭示了激光荧光材料研究的多维结构和网络关系。主要得出以下结论:

(1)文献外部特征

首先,近五年内激光荧光材料文献数量较为稳定,年均发文量为291篇,自2015年至2018年,文献数量的上升趋势明显,在2020年,文献数量有所下降,但文献数量仍在300篇以上,就目前影响因素来看,2020年爆发的新冠肺炎疫情可能是导致文献数量下降的重要因素。其次,激光荧光材料领域出现了比较多的合作网络,其中以李江、邱建荣、解荣军、潘裕柏等作者为中心点的合作研究网络最为紧密,该网络的核心作者数量占核心作者总人数的51.6 %,由此可以看出,在激光照明领域的研究,国内学者之间高度紧密,并且该合作网络在领域内的贡献较为突出。激光荧光材料领域发文数量最高的三个机构分别是中国科学院、中国科学院大学、俄罗斯科学院,并且,这三个机构同属一个合作网络,各研究机构间存在一定的国际合作；另外是南非自由州大学以为首合作网络,其中南非自由州大学发文36篇,位列第七名,但其规模较小。在期刊方面,JOURNAL OF LUMINESCENCE、CERAMICS INTERNATIONAL、JOURNAL OF 激光荧光材料领域的研究成果集中,已经形成大规模的核心期刊。

(2)领域研究热点

通过对激光荧光材料领域关键词共现、年度热词及突现词的分析,领域内的热点研究主要围绕着“稀土离子”、 “上转换发光材料”、 “纳米晶”等方面展开,激光照明现如今处于大发展时期,但其研究与应用还处于初级阶段,如何将其产品量化生产并广泛应用,是实现激光照明的高速发展并从理论走向应用的研究重点。同时,计量分析结果表明,当前激光荧光材料领域的研究可以归纳为八个核心研究主题:pulsed laser deposition、transparent ceramics、upconversion、laser lighting、phosphor thermometry、luminescence property、preparation、crystallization。

(3)对激光荧光材料进行分析对比,以检索词中的荧光薄膜、荧光玻璃、荧光陶瓷、玻璃陶瓷和荧光晶体为分析对象,在散热、制备、经济性等方面进行阐述,在这五种材料中,荧光陶瓷和荧光晶体散热性最好,而玻璃陶瓷兼容了玻璃与陶瓷的性能,散热性和机械强度稍逊于荧光陶瓷和荧光晶体,但比荧光薄膜和荧光玻璃要强。

对于荧光转换材料本身,提高热导率依然是面临的严峻的问题；在制备时,降低荧光转换材料的烧结温度直接影响制造成本；在制备过程中,局部的微观结构中化学反应和表面粗糙度、荧光转换材料的厚度,直接影响其光转化效率。显色指数低,如石榴石系荧光材料,缺少红色成分而使得该系荧光材料显色指数普遍较低,而现在的红色荧光转换材料非常有限,其性能也有待提高。其次,加强对透射式荧光材料的研究,由于反射式封装体积大、结构复杂难以满足市场,而透射式则更加简便,发展潜力极大。

在未来,激光照明将是照明市场的领导者,在市政照明,汽车大灯等诸多领域,市场潜力巨大。目前,荧光材料无论是在制备方法还是制备所需的原料方面都面临着巨大挑战,这两方面将直接影响荧光材料的发光性能。