基于CiteSpace软件分析的太赫兹超材料器件研究

2024-04-08戴林林寇菲菲亓丽梅孙丹丹

光谱学与光谱分析 2024年4期

戴林林, 苏晋, 寇菲菲*, 亓丽梅, 2*, 孙丹丹, 石丹

1. 北京邮电大学电子工程学院, 北京 100876

2. 山东师范大学光操作与应用协同创新中心, 山东济南 250358

引言

太赫兹(Terahertz, THz)波的频率范围为0.1～10 THz, 对应波长为3 mm～30 μm[1-2]。与X射线相比, THz波是非电离的, 对生物细胞没有损伤, 这使得THz生物传感器成为治疗癌症和肿瘤的良好选择。此外, THz波对细胞的损伤小, 在生物分子检测、光谱学分析和THz成像[3-9]等方面都具有广泛应用前景。与中红外波段相比, THz波对弱共振更为敏感, 可以检测氢键、范德华力和非键(疏水)相互作用[10]。然而, THz功能器件的发展大大限制了THz技术的广泛应用。超材料是人工制造的周期亚波长单元结构[11]。通过设计单元结构的几何形状和方向, 超材料可以自由控制THz波的振幅、相位、偏振、传播方向和波束形状[12-16], 成为设计THz功能器件的首选。超表面是超材料在二维的表现形式, 超表面器件具有超薄、重量轻、易于制造、损耗较小等优势, 与传统的无源THz超材料功能器件相比, 设计能够人为操纵THz波的主动调控超材料器件具有巨大潜力[17-20]。常用的调控方式通常有电控, 温控, 光控, 施加机械压力等方式。这些方式通过引入介电性质可调谐的材料, 如半导体、电控材料、相变材料和光控材料来设计性能可调谐的THz超表面器件[21-23]。

THz超材料功能器件虽已得到广泛关注, 然而有关THz超材料功能器件的研究现状和未来发展方向的综述报道较少。为此, 本论文基于CiteSpace软件分析和总结了近年来THz超材料器件的研究现状和发展热点[24-25], 从而为从事该方面研究工作的人员提供参考和借鉴。 CiteSpace是一个信息可视化软件。它通过集群、网络连接图、节点等来识别和显示文献中科学发展的新趋势和研究热点[26]。 CiteSpace软件主要使用的分析方法为共引文分析理论[27]和寻径网络算法[28]。通过对特定领域的文献进行统计和可视化, CiteSpace能够实现对特定领域演化的动态机制的分析和前沿的探索研究[29-34]。作为数据分析软件, CiteSpace软件中的常用分析功能主要包括合作网络分析, 共现分析, 突现分析, 聚类分析和共被引分析等。其中, 合作网络分析主要研究发文的国家、机构和作者以及他们之间的合作关系, 共现分析主要研究主题、关键词和领域出现的频次, 突现分析主要研究某一时段内变量的变化情况, 能看出领域的兴盛和衰落, 聚类分析把相似对象的组合进行分组, 共被引分析主要研究文献, 作者被引用的次数。

本文选用的数据库默认为web of science网站的核心集合, 时间段为2016年—2023年。通过人工筛选和软件删除重复的文献, 将查询到与主题无关的文献(包括会议草稿、非THz频段、综述文章等)移除, 最后把剩余的2 159篇文章作为研究样本。检索到的文章被保存为纯文本文件, 内容包括作者的所有记录、出版期刊、摘要和被引用的参考文献等, 并使用CiteSpace的“数据/导入/导出”功能对文本格式进行处理, 实现了可视化分析。

1 基于CiteSpace软件检索的结果分析

1.1 国家和机构的合作网络分析

图1给出的是国家合作网络分析图谱, 节点大小表示国家发文量, 连线反映国家之间的合作关系, 节点轮廓线颜色表示国家的合作中心度, 节点由不同颜色的多个同心圆环组成, 颜色越偏向冷色, 表明发文的时间越早, 圆环宽度表明当年发文数量。图1中共有61个节点和175条节点间连接线, 61个国家共发表了2395篇文章。其中, 中国发表的文章数量是1383篇, 发文占比为57.75%, 美国发表文章198篇, 占比8.27%, 其次是伊朗(131篇, 占5.47%)、印度(80篇, 占3.34%)和英国(72篇, 占3.01%), 来自其他国家的发文占比不超过30%。表1给出了发表文章数量排名前10位的国家, 从发文数量来看, 中国发行的文章数量占比在50%以上, 占绝对优势, 其次是美国, 这说明在该领域里中美两国的研究成果更为丰富。在表1中, 中心性(Centrality)是网络中节点中心性的度量, 是所有节点通过该节点连接到其他节点的最短路径的数量, 中心性超过0.1的节点是中心节点, 具有较大影响力。英国、中国、澳大利亚、美国、俄罗斯和伊朗的中心性分别为0.43、 0.33、 0.31、 0.29、 0.18和0.12, 说明这几个国家在THz超材料功能器件领域和其他国家有着非常密切的科研合作, 影响力较大。从地域分布上看, 美国、英国、俄罗斯等欧美国家的中心性较高, 说明欧美的科研机构之间的合作和交流更为频繁, 而日本、韩国、新加坡、印度和伊朗等亚洲国家的中心性较低, 其工作相对独立。

表1 发表文章的频率排名前十国家

图1 出版文章数量排名前十的国家合作网络分析

在图2所示的科研机构中, 共有322所研究机构专注于THz超材料功能器件的研究。从表2中得出, 发文量排名前十的高校都来自中国, 发文量超过100的研究机构有2所,分别为天津大学和中国科学院, 发文量超过50的科研机构还有东南大学, 桂林电子科技大学和北京邮电大学。中国的科研高校对中心性做出了很大贡献, 其中天津大学为0.21, 中国科学院为0.18, 桂林电子科技大学和北京邮电大学分别为0.08。可以看出, 中国科研机构在THz超材料功能器件的研究成果丰富。

表2 发表文章的频率排名前十的科研高校和机构

图2 主要科研机构文章发表数量的合作网络分析

1.2 合作网络分析与共被引分析

针对图3中作者的共现分析, 在过去的7年里, 约有478位作者发表了THz超材料功能器件的论文。在作者的共现分析图中, 共有478个节点和738个连接, 网络密度为0.006 5。网络密度可以了解信息在节点之间的扩散, 反映节点之间合作的紧密程度, 0.006 5的网络密度说明作者之间的合作较为分散。在表3中列举了发文数量前10位的作者, 以文章数量和中心性作为两个综合评价指标。从发表文章数量来看, 姚建铨教授(44, 1.83%), 韩家广教授(40, 1.67%)和王本新教授(35, 1.46%)被认为在THz超材料功能器件领域是发文数量排名前3的作者。此外, 韩家广教授(0.13)、张伟力教授(0.07)的中心性较高, 显示了学者核心集群的现象。但是大部分学者的中心性较低, 有的学者的中心性为0, 网络密度为0.006 5, 说明该学者之间没有形成联系紧密的合作网络。

表3 发表文章的频率排名前十的作者

图3 文章作者的共现分析

与作者的共现分析不同, 作者的共被引分析是基于过去7年的作者发表文章被引用的次数作为统计数据。图4显示了被引用作者的可视化分析图, 有755个节点和2 169个连接, 拓扑网络密度为0.0076。在被引用的作者中, 排名前五名的是美国阿拉莫斯国家实验室的陈侯通教授(483次), 其次是Landy Ni(452次)、 Liu N(398次)、 Tao H(379次)和Smith DR(379次)。从图4中每个节点与其他节点的连接个数中, 可以看出这些高被引作者在这个领域与其他科研工作者有着密切的合作, 彼此之间有许多交叉引用。反映论文是否具有影响力的一个方法是被引用的数量。另一个重要的分析方法是引文突发分析, 能够反映作者对THz超材料功能器件领域的影响强度以及影响持续的时间。图5给出了引文突发分析, 可以看出影响强度(Strength)排名第一的作者是Wang TL(Strength=18.4)。图5给出了作者影响强度持续的年份, 即作者对THz超材料功能器件领域影响力的开始时间和持续时间, 可以看出大多数作者的影响力通常能够维持3～4年, 且影响强度排名前五的作者影响持续的时间为2020年—2023年, 这说明THz超材料功能器件一直受到学者们的广泛关注, 并且能够持续发展下去。

图4 作者的共被引分析

图5 高被引作者的突发分析

1.3 关键词的聚类分析及研究热点

为了分析THz超材料功能器件的关键研究领域, 我们采用CiteSpace对关键词进行了聚类分析。通过使用网络图裁剪(Pruning)和寻径网络法(pathfinder)裁剪了次要的链接, 给出结果如图6所示。得到关键词聚类分析图的Q值为0.503 4(>0.38),S=0.735 1(>0.5), 11个聚类结果的同质性(Silhouette)值高于0.5, 在Citespace的聚类分析中, 同质性的值>0.7表示聚类效率有效且令人信服, 同质性值>0.5表示聚类效率合理。

图6 关键词聚类分析

结合相关文献, THz超材料功能器件的关键研究领域可分为五个方面。第一个研究领域是天线、编码超表面、波前调控。这些领域的关键词主要在集群8中被提到, 包括编码超表面、梯度相位和涡旋光等高频出现的词汇。编码超表面的概念是2014年由崔铁军院士[35]提出, 在表4中, 编码超表面关键词出现的主要年份在2018年。从节点细节来看, 共有22篇文章出现了编码超表面这个关键词, 其中5篇文章分别为Zhang, 2017[36], Zhang, 2018[37], Liu, 2017[38], Rouhi, 2018[39], Cui, 2017[40]等发表的文章, 这些文章使得关键词编码超表面成为热点关键词。 2018年, Rouhi等[39]设计了一种基于石墨烯的编码超表面, 能够完成实时超宽带的THz波前调制, 并且石墨烯的电压可切换行为使超表面具有反射光束的多种散射模式。 Hu等[41]通过实验设计了一种基于二氧化钒的电控THz编码调制器, 可以通过偏置电流实现共振吸收调制。 Jiang等[42]提出了一种基于二氧化钒的电控超表面THz调制器, 通过偏置电压改变电流, 进而调节二氧化钒的电导率, 使得调制器在0.79 THz的调幅深度达到71%, 该研究表明通过电控的方式触发二氧化钒的相变, 可以灵活、动态地控制天线的相位和振幅。

表4 关键词聚类信息

第二个研究领域是吸波器。关键词集中在集群0中的吸收, THz吸波器, 多带吸收等。我们选择集群0中节点细节里的高被引论文进行分析, Wang等[43]提出了六波段和九波段超表面吸波器, 吸收率超过94%。 Xiang等[44]将石墨烯包裹在由介质层分离的一维光子晶体上, 通过光学Tamm态激发和界面入射光的耦合实现了完美的吸收。 Ding等[45]使用二氧化钒设计了从宽带吸波器转换到反射的宽带半波板的超表面。此外, Wang等提出基于狄拉克半金属[46-47]的可调谐窄带[48]、双带[49]和多带完美吸波器[50]。 THz超材料吸波器的提出已经有10多年了, 并且已形成了比较成熟的研究成果。

第三个研究领域是电磁诱导透明(electromagnetic induction of transparency, EIT)和Fano共振。关键词主要集中在集群2、集群3和集群6中。 EIT是由三能级原子或分子系统中的量子干涉产生的, 使得光学介质在吸收的狭窄光谱区域内对检测场透明的现象。我们从集群2和集群3的EIT节点中选择了前5篇高被引论文并进行了总结。 2017年, Gupta等[51]使用对称环谐振器来激发环响应, 通过环谐振实现高Q因子的传感器。 2018年, Zhang等[52]通过实验证明了使用THz-TDS系统测试的一种电调谐石墨烯EIT器件。 Tang等[53]从理论上研究了基于石墨烯超材料的分裂环谐振器, 其对称结构具有可调频和调幅的特性, 不对称结构可实现高Q值的法诺共振和四偶极子共振。 Chen等[54]在Dirac半金属薄膜中实现了可调谐的PIT效应, 通过调整Dirac半金属的费米能级, 在透明峰附近获得了超过1.86 ps的群延迟。

第四个研究领域是生物传感。集群11涉及到的关键词是折射率传感器、圆二色性、手性和高敏感传感器。 THz技术在生物传感器领域具有巨大的潜力, 其原因是THz辐射是非电离的, 对生物组织和细胞的损伤小, 并且THz的频率与一些重要的生物分子(蛋白质、 RNA和DNA)的振动频率相一致, 这使得THz适用于癌症和肿瘤的治疗。在集群11中的节点细节中, 列举几篇高被引论文如下。 Ruan等[55]于2017年提出了一种石墨烯和波导相互耦合的生物传感器, 由于耦合的存在, 使得灵敏度提高到了3 260 RIU-1。 Farmani等[56]于2018年设计了基于Fano谐振的纳米级THz等离子体生物传感器, 灵敏度为S=1 700 nm·RIU-1。 Keshavarz等[57]于2019年提出了一种微型传感器用来进行皮肤癌检测, 传感器的灵敏度为S=1 17μm·RIU-1。

第五个研究领域是非对称传输。集群1出现最多的关键词是偏振转换和非对称传输。非对称传输指电磁波从正向和反向入射超表面, 会有不同的传输特性, 比如超表面的平行偏振透射系数和交叉偏振透射系数沿正向和反向入射时呈现互易关系。在集群1的节点细节中, Cheng等[58]提出了宽带和高效的三层手性结构超表面, 中间层结构由一个方形环谐振器组成, 可以用于线性交叉偏振转换和波前调控。 Chen等[59]提出了一种由裂盘结构阵列和两层扭曲亚波长金属光栅组成的超材料, 通过类二极管的非对称传输, 实现THz波的线性偏振转换。 Cheng等[60]提出了一种手性超材料, 可以高选择性地吸收右手和左手圆偏振波。 Kim等[61]展示了一种由两层结构组成的光学超材料, 实验实现了宽带的线性偏振光非对称传输。 Wang等[62]提出了一种基于Dirac半金属和二氧化钒的可调谐双功能THz超材料器件, 用于在非对称传输和吸波器之间切换。 Chang等[63]通过实验和模拟研究了由亚波长硅光栅和金属线光栅层组成的耦合介质-金属光栅结构, 以实现宽带THz波偏振转换和非对称传输。

2 THz超材料器件的发展趋势

图7显示了在WOS of science上搜索的THz超材料功能器件研究领域的分布图。其中吸波器研究领域占比最多为27%, 其次是EIT占17%, 生物传感占13%, 滤波器和调制器的研究共占11%。检索到的文章于2016年—2023年之间发表, 2016年之前发表的文献没有参与本次统计分析, 其中调制器和滤波器相关的文献所占比例不高, 说明THz调制器与滤波器的研究已经趋于饱和。我们采用图8中的苹果树来形象展示THz超材料功能器件的发展趋势。红苹果表示THz超材料功能器件的基础领域(基本表现为功能单一、应用领域狭窄、设计简单), 研究已经成熟, 相关的研究论文的占比很高, 该研究的领域为吸波器、调制器和滤波器等。红苹果表示这项研究已经持续了很长时间, 距离第一次提出的工作已经持续了10多年。例如, 超材料完美吸波器是由Padilla等在2008年[64]提出, EIT超材料由Zhang等在同年[65]设计提出, 这是吸波器和EIT最早提出的时间, 距今的时间已经超过10年。 Li等在2011年提出了基于石墨烯超材料THz调制器, 调制器的动态调节是通过添加偏置电压控制石墨烯的费米能级实现的[66]。近6年来, 关于吸波器, 调制器, EIT等研究主要集中在2016年—2018年, 2018年之后这些研究已达到饱和。相比之下, 橙苹果表示的研究领域目前正被广泛研究, 并迅速走向成熟。这些领域包括偏振转换(占10%)、非对称传输(占5%)、波前调制(占5%)、编码超表面(占5%)和THz天线(占7%), 苹果树中的青苹果表示THz超材料功能器件未来的发展方向。可以看出生物传感器的研究、机器学习以及量子纠缠超表面是研究的发展前沿。由于THz波对生物组织没有损伤, 使得THz生物传感器超表面成为未来的重要发展方向。机器学习在人脸识别、量子计算、图像恢复等[67-69]领域都显示出了强大的优势。

图7 近8年(2016年—2023年)在各领域发表的文章和评论的比例分布饼形图

图8 THz超材料功能器件知识树[70]

超表面设计中, 机器学习可通过建立光场和结构参数之间的网络连接, 取代了传统的电磁模拟过程。因此, 通过不同的网络结构可以找到最优参数解。采用机器学习方法逆向设计超表面可以大大减少操作时间和成本。随着超表面在经典光场调节方面的广泛研究, 使得科研人员对超材料在量子信息领域的应用产生了极大兴趣。量子信息是目前最活跃的研究领域之一, 量子比特是量子信息最基本的单元, 与经典比特相比, 量子比特能够处于“0”和“1”的叠加态, 这使得具有n对量子纠缠的量子计算机可以存在2n个本征态的叠加。超表面可以自由地操纵光子的多个自由度, 如波长、偏振、轨道角动量、空间路径等, 以提供更多的量子纠缠态。量子纠缠超表面可以实现更多的量子纠缠对, 在量子态的制备和操纵以及量子器件的集成方面具有重要的应用价值。其次, 将超表面与量子发射器的集成可以有效提高单光子发射器的性能。此外, 全介质超表面的出现使得超表面制备和操纵多光子纠缠态成为可能。