戴林林, 蘇 晉, 寇菲菲*, 亓麗梅, 2*, 孫丹丹, 石 丹

1. 北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院, 北京 100876

2. 山東師范大學(xué)光操作與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 濟南 250358

引 言

太赫茲(Terahertz, THz)波的頻率范圍為0.1～10 THz, 對應(yīng)波長為3 mm～30 μm[1-2]。 與X射線相比, THz波是非電離的, 對生物細(xì)胞沒有損傷, 這使得THz生物傳感器成為治療癌癥和腫瘤的良好選擇。 此外, THz波對細(xì)胞的損傷小, 在生物分子檢測、 光譜學(xué)分析和THz成像[3-9]等方面都具有廣泛應(yīng)用前景。 與中紅外波段相比, THz波對弱共振更為敏感, 可以檢測氫鍵、 范德華力和非鍵(疏水)相互作用[10]。 然而, THz功能器件的發(fā)展大大限制了THz技術(shù)的廣泛應(yīng)用。 超材料是人工制造的周期亞波長單元結(jié)構(gòu)[11]。 通過設(shè)計單元結(jié)構(gòu)的幾何形狀和方向, 超材料可以自由控制THz波的振幅、 相位、 偏振、 傳播方向和波束形狀[12-16], 成為設(shè)計THz功能器件的首選。 超表面是超材料在二維的表現(xiàn)形式, 超表面器件具有超薄、 重量輕、 易于制造、 損耗較小等優(yōu)勢, 與傳統(tǒng)的無源THz超材料功能器件相比, 設(shè)計能夠人為操縱THz波的主動調(diào)控超材料器件具有巨大潛力[17-20]。 常用的調(diào)控方式通常有電控, 溫控, 光控, 施加機械壓力等方式。 這些方式通過引入介電性質(zhì)可調(diào)諧的材料, 如半導(dǎo)體、 電控材料、 相變材料和光控材料來設(shè)計性能可調(diào)諧的THz超表面器件[21-23]。

THz超材料功能器件雖已得到廣泛關(guān)注, 然而有關(guān)THz超材料功能器件的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向的綜述報道較少。 為此, 本論文基于CiteSpace軟件分析和總結(jié)了近年來THz超材料器件的研究現(xiàn)狀和發(fā)展熱點[24-25], 從而為從事該方面研究工作的人員提供參考和借鑒。 CiteSpace是一個信息可視化軟件。 它通過集群、 網(wǎng)絡(luò)連接圖、 節(jié)點等來識別和顯示文獻中科學(xué)發(fā)展的新趨勢和研究熱點[26]。 CiteSpace軟件主要使用的分析方法為共引文分析理論[27]和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法[28]。 通過對特定領(lǐng)域的文獻進行統(tǒng)計和可視化, CiteSpace能夠?qū)崿F(xiàn)對特定領(lǐng)域演化的動態(tài)機制的分析和前沿的探索研究[29-34]。 作為數(shù)據(jù)分析軟件, CiteSpace軟件中的常用分析功能主要包括合作網(wǎng)絡(luò)分析, 共現(xiàn)分析, 突現(xiàn)分析, 聚類分析和共被引分析等。 其中, 合作網(wǎng)絡(luò)分析主要研究發(fā)文的國家、 機構(gòu)和作者以及他們之間的合作關(guān)系, 共現(xiàn)分析主要研究主題、 關(guān)鍵詞和領(lǐng)域出現(xiàn)的頻次, 突現(xiàn)分析主要研究某一時段內(nèi)變量的變化情況, 能看出領(lǐng)域的興盛和衰落, 聚類分析把相似對象的組合進行分組, 共被引分析主要研究文獻, 作者被引用的次數(shù)。

本文選用的數(shù)據(jù)庫默認(rèn)為web of science網(wǎng)站的核心集合, 時間段為2016年—2023年。 通過人工篩選和軟件刪除重復(fù)的文獻, 將查詢到與主題無關(guān)的文獻(包括會議草稿、 非THz頻段、 綜述文章等)移除, 最后把剩余的2 159篇文章作為研究樣本。 檢索到的文章被保存為純文本文件, 內(nèi)容包括作者的所有記錄、 出版期刊、 摘要和被引用的參考文獻等, 并使用CiteSpace的“數(shù)據(jù)/導(dǎo)入/導(dǎo)出”功能對文本格式進行處理, 實現(xiàn)了可視化分析。

1 基于CiteSpace軟件檢索的結(jié)果分析

1.1 國家和機構(gòu)的合作網(wǎng)絡(luò)分析

圖1給出的是國家合作網(wǎng)絡(luò)分析圖譜, 節(jié)點大小表示國家發(fā)文量, 連線反映國家之間的合作關(guān)系, 節(jié)點輪廓線顏色表示國家的合作中心度, 節(jié)點由不同顏色的多個同心圓環(huán)組成, 顏色越偏向冷色, 表明發(fā)文的時間越早, 圓環(huán)寬度表明當(dāng)年發(fā)文數(shù)量。 圖1中共有61個節(jié)點和175條節(jié)點間連接線, 61個國家共發(fā)表了2395篇文章。 其中, 中國發(fā)表的文章數(shù)量是1383篇, 發(fā)文占比為57.75%, 美國發(fā)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%)和英國(72篇, 占3.01%), 來自其他國家的發(fā)文占比不超過30%。 表1給出了發(fā)表文章數(shù)量排名前10位的國家, 從發(fā)文數(shù)量來看, 中國發(fā)行的文章數(shù)量占比在50%以上, 占絕對優(yōu)勢, 其次是美國, 這說明在該領(lǐng)域里中美兩國的研究成果更為豐富。 在表1中, 中心性(Centrality)是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點中心性的度量, 是所有節(jié)點通過該節(jié)點連接到其他節(jié)點的最短路徑的數(shù)量, 中心性超過0.1的節(jié)點是中心節(jié)點, 具有較大影響力。 英國、 中國、 澳大利亞、 美國、 俄羅斯和伊朗的中心性分別為0.43、 0.33、 0.31、 0.29、 0.18和0.12, 說明這幾個國家在THz超材料功能器件領(lǐng)域和其他國家有著非常密切的科研合作, 影響力較大。 從地域分布上看, 美國、 英國、 俄羅斯等歐美國家的中心性較高, 說明歐美的科研機構(gòu)之間的合作和交流更為頻繁, 而日本、 韓國、 新加坡、 印度和伊朗等亞洲國家的中心性較低, 其工作相對獨立。

表1 發(fā)表文章的頻率排名前十國家

圖1 出版文章數(shù)量排名前十的國家合作網(wǎng)絡(luò)分析

在圖2所示的科研機構(gòu)中, 共有322所研究機構(gòu)專注于THz超材料功能器件的研究。 從表2中得出, 發(fā)文量排名前十的高校都來自中國, 發(fā)文量超過100的研究機構(gòu)有2所,分別為天津大學(xué)和中國科學(xué)院, 發(fā)文量超過50的科研機構(gòu)還有東南大學(xué), 桂林電子科技大學(xué)和北京郵電大學(xué)。 中國的科研高校對中心性做出了很大貢獻, 其中天津大學(xué)為0.21, 中國科學(xué)院為0.18, 桂林電子科技大學(xué)和北京郵電大學(xué)分別為0.08。 可以看出, 中國科研機構(gòu)在THz超材料功能器件的研究成果豐富。

表2 發(fā)表文章的頻率排名前十的科研高校和機構(gòu)

圖2 主要科研機構(gòu)文章發(fā)表數(shù)量的合作網(wǎng)絡(luò)分析

1.2 合作網(wǎng)絡(luò)分析與共被引分析

針對圖3中作者的共現(xiàn)分析, 在過去的7年里, 約有478位作者發(fā)表了THz超材料功能器件的論文。 在作者的共現(xiàn)分析圖中, 共有478個節(jié)點和738個連接, 網(wǎng)絡(luò)密度為0.006 5。 網(wǎng)絡(luò)密度可以了解信息在節(jié)點之間的擴散, 反映節(jié)點之間合作的緊密程度, 0.006 5的網(wǎng)絡(luò)密度說明作者之間的合作較為分散。 在表3中列舉了發(fā)文數(shù)量前10位的作者, 以文章數(shù)量和中心性作為兩個綜合評價指標(biāo)。 從發(fā)表文章數(shù)量來看, 姚建銓教授(44, 1.83%), 韓家廣教授(40, 1.67%)和王本新教授(35, 1.46%)被認(rèn)為在THz超材料功能器件領(lǐng)域是發(fā)文數(shù)量排名前3的作者。 此外, 韓家廣教授(0.13)、 張偉力教授(0.07)的中心性較高, 顯示了學(xué)者核心集群的現(xiàn)象。 但是大部分學(xué)者的中心性較低, 有的學(xué)者的中心性為0, 網(wǎng)絡(luò)密度為0.006 5, 說明該學(xué)者之間沒有形成聯(lián)系緊密的合作網(wǎng)絡(luò)。

表3 發(fā)表文章的頻率排名前十的作者

圖3 文章作者的共現(xiàn)分析

與作者的共現(xiàn)分析不同, 作者的共被引分析是基于過去7年的作者發(fā)表文章被引用的次數(shù)作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 圖4顯示了被引用作者的可視化分析圖, 有755個節(jié)點和2 169個連接, 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)密度為0.0076。 在被引用的作者中, 排名前五名的是美國阿拉莫斯國家實驗室的陳侯通教授(483次), 其次是Landy Ni(452次)、 Liu N(398次)、 Tao H(379次)和Smith DR(379次)。 從圖4中每個節(jié)點與其他節(jié)點的連接個數(shù)中, 可以看出這些高被引作者在這個領(lǐng)域與其他科研工作者有著密切的合作, 彼此之間有許多交叉引用。 反映論文是否具有影響力的一個方法是被引用的數(shù)量。 另一個重要的分析方法是引文突發(fā)分析, 能夠反映作者對THz超材料功能器件領(lǐng)域的影響強度以及影響持續(xù)的時間。 圖5給出了引文突發(fā)分析, 可以看出影響強度(Strength)排名第一的作者是Wang TL(Strength=18.4)。 圖5給出了作者影響強度持續(xù)的年份, 即作者對THz超材料功能器件領(lǐng)域影響力的開始時間和持續(xù)時間, 可以看出大多數(shù)作者的影響力通常能夠維持3～4年, 且影響強度排名前五的作者影響持續(xù)的時間為2020年—2023年, 這說明THz超材料功能器件一直受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注, 并且能夠持續(xù)發(fā)展下去。

圖4 作者的共被引分析

圖5 高被引作者的突發(fā)分析

1.3 關(guān)鍵詞的聚類分析及研究熱點

為了分析THz超材料功能器件的關(guān)鍵研究領(lǐng)域, 我們采用CiteSpace對關(guān)鍵詞進行了聚類分析。 通過使用網(wǎng)絡(luò)圖裁剪(Pruning)和尋徑網(wǎng)絡(luò)法(pathfinder)裁剪了次要的鏈接, 給出結(jié)果如圖6所示。 得到關(guān)鍵詞聚類分析圖的Q值為0.503 4(>0.38),S=0.735 1(>0.5), 11個聚類結(jié)果的同質(zhì)性(Silhouette)值高于0.5, 在Citespace的聚類分析中, 同質(zhì)性的值>0.7表示聚類效率有效且令人信服, 同質(zhì)性值>0.5表示聚類效率合理。

圖6 關(guān)鍵詞聚類分析

結(jié)合相關(guān)文獻, THz超材料功能器件的關(guān)鍵研究領(lǐng)域可分為五個方面。 第一個研究領(lǐng)域是天線、 編碼超表面、 波前調(diào)控。 這些領(lǐng)域的關(guān)鍵詞主要在集群8中被提到, 包括編碼超表面、 梯度相位和渦旋光等高頻出現(xiàn)的詞匯。 編碼超表面的概念是2014年由崔鐵軍院士[35]提出, 在表4中, 編碼超表面關(guān)鍵詞出現(xiàn)的主要年份在2018年。 從節(jié)點細(xì)節(jié)來看, 共有22篇文章出現(xiàn)了編碼超表面這個關(guān)鍵詞, 其中5篇文章分別為Zhang, 2017[36], Zhang, 2018[37], Liu, 2017[38], Rouhi, 2018[39], Cui, 2017[40]等發(fā)表的文章, 這些文章使得關(guān)鍵詞編碼超表面成為熱點關(guān)鍵詞。 2018年, Rouhi等[39]設(shè)計了一種基于石墨烯的編碼超表面, 能夠完成實時超寬帶的THz波前調(diào)制, 并且石墨烯的電壓可切換行為使超表面具有反射光束的多種散射模式。 Hu等[41]通過實驗設(shè)計了一種基于二氧化釩的電控THz編碼調(diào)制器, 可以通過偏置電流實現(xiàn)共振吸收調(diào)制。 Jiang等[42]提出了一種基于二氧化釩的電控超表面THz調(diào)制器, 通過偏置電壓改變電流, 進而調(diào)節(jié)二氧化釩的電導(dǎo)率, 使得調(diào)制器在0.79 THz的調(diào)幅深度達到71%, 該研究表明通過電控的方式觸發(fā)二氧化釩的相變, 可以靈活、 動態(tài)地控制天線的相位和振幅。

表4 關(guān)鍵詞聚類信息

第二個研究領(lǐng)域是吸波器。 關(guān)鍵詞集中在集群0中的吸收, THz吸波器, 多帶吸收等。 我們選擇集群0中節(jié)點細(xì)節(jié)里的高被引論文進行分析, Wang等[43]提出了六波段和九波段超表面吸波器, 吸收率超過94%。 Xiang等[44]將石墨烯包裹在由介質(zhì)層分離的一維光子晶體上, 通過光學(xué)Tamm態(tài)激發(fā)和界面入射光的耦合實現(xiàn)了完美的吸收。 Ding等[45]使用二氧化釩設(shè)計了從寬帶吸波器轉(zhuǎn)換到反射的寬帶半波板的超表面。 此外, Wang等提出基于狄拉克半金屬[46-47]的可調(diào)諧窄帶[48]、 雙帶[49]和多帶完美吸波器[50]。 THz超材料吸波器的提出已經(jīng)有10多年了, 并且已形成了比較成熟的研究成果。

第三個研究領(lǐng)域是電磁誘導(dǎo)透明(electromagnetic induction of transparency, EIT)和Fano共振。 關(guān)鍵詞主要集中在集群2、 集群3和集群6中。 EIT是由三能級原子或分子系統(tǒng)中的量子干涉產(chǎn)生的, 使得光學(xué)介質(zhì)在吸收的狹窄光譜區(qū)域內(nèi)對檢測場透明的現(xiàn)象。 我們從集群2和集群3的EIT節(jié)點中選擇了前5篇高被引論文并進行了總結(jié)。 2017年, Gupta等[51]使用對稱環(huán)諧振器來激發(fā)環(huán)響應(yīng), 通過環(huán)諧振實現(xiàn)高Q因子的傳感器。 2018年, Zhang等[52]通過實驗證明了使用THz-TDS系統(tǒng)測試的一種電調(diào)諧石墨烯EIT器件。 Tang等[53]從理論上研究了基于石墨烯超材料的分裂環(huán)諧振器, 其對稱結(jié)構(gòu)具有可調(diào)頻和調(diào)幅的特性, 不對稱結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高Q值的法諾共振和四偶極子共振。 Chen等[54]在Dirac半金屬薄膜中實現(xiàn)了可調(diào)諧的PIT效應(yīng), 通過調(diào)整Dirac半金屬的費米能級, 在透明峰附近獲得了超過1.86 ps的群延遲。

第四個研究領(lǐng)域是生物傳感。 集群11涉及到的關(guān)鍵詞是折射率傳感器、 圓二色性、 手性和高敏感傳感器。 THz技術(shù)在生物傳感器領(lǐng)域具有巨大的潛力, 其原因是THz輻射是非電離的, 對生物組織和細(xì)胞的損傷小, 并且THz的頻率與一些重要的生物分子(蛋白質(zhì)、 RNA和DNA)的振動頻率相一致, 這使得THz適用于癌癥和腫瘤的治療。 在集群11中的節(jié)點細(xì)節(jié)中, 列舉幾篇高被引論文如下。 Ruan等[55]于2017年提出了一種石墨烯和波導(dǎo)相互耦合的生物傳感器, 由于耦合的存在, 使得靈敏度提高到了3 260 RIU-1。 Farmani等[56]于2018年設(shè)計了基于Fano諧振的納米級THz等離子體生物傳感器, 靈敏度為S=1 700 nm·RIU-1。 Keshavarz等[57]于2019年提出了一種微型傳感器用來進行皮膚癌檢測, 傳感器的靈敏度為S=1 17μm·RIU-1。

第五個研究領(lǐng)域是非對稱傳輸。 集群1出現(xiàn)最多的關(guān)鍵詞是偏振轉(zhuǎn)換和非對稱傳輸。 非對稱傳輸指電磁波從正向和反向入射超表面, 會有不同的傳輸特性, 比如超表面的平行偏振透射系數(shù)和交叉偏振透射系數(shù)沿正向和反向入射時呈現(xiàn)互易關(guān)系。 在集群1的節(jié)點細(xì)節(jié)中, Cheng等[58]提出了寬帶和高效的三層手性結(jié)構(gòu)超表面, 中間層結(jié)構(gòu)由一個方形環(huán)諧振器組成, 可以用于線性交叉偏振轉(zhuǎn)換和波前調(diào)控。 Chen等[59]提出了一種由裂盤結(jié)構(gòu)陣列和兩層扭曲亞波長金屬光柵組成的超材料, 通過類二極管的非對稱傳輸, 實現(xiàn)THz波的線性偏振轉(zhuǎn)換。 Cheng等[60]提出了一種手性超材料, 可以高選擇性地吸收右手和左手圓偏振波。 Kim等[61]展示了一種由兩層結(jié)構(gòu)組成的光學(xué)超材料, 實驗實現(xiàn)了寬帶的線性偏振光非對稱傳輸。 Wang等[62]提出了一種基于Dirac半金屬和二氧化釩的可調(diào)諧雙功能THz超材料器件, 用于在非對稱傳輸和吸波器之間切換。 Chang等[63]通過實驗和模擬研究了由亞波長硅光柵和金屬線光柵層組成的耦合介質(zhì)-金屬光柵結(jié)構(gòu), 以實現(xiàn)寬帶THz波偏振轉(zhuǎn)換和非對稱傳輸。

2 THz超材料器件的發(fā)展趨勢

圖7顯示了在WOS of science上搜索的THz超材料功能器件研究領(lǐng)域的分布圖。 其中吸波器研究領(lǐng)域占比最多為27%, 其次是EIT占17%, 生物傳感占13%, 濾波器和調(diào)制器的研究共占11%。 檢索到的文章于2016年—2023年之間發(fā)表, 2016年之前發(fā)表的文獻沒有參與本次統(tǒng)計分析, 其中調(diào)制器和濾波器相關(guān)的文獻所占比例不高, 說明THz調(diào)制器與濾波器的研究已經(jīng)趨于飽和。 我們采用圖8中的蘋果樹來形象展示THz超材料功能器件的發(fā)展趨勢。 紅蘋果表示THz超材料功能器件的基礎(chǔ)領(lǐng)域(基本表現(xiàn)為功能單一、 應(yīng)用領(lǐng)域狹窄、 設(shè)計簡單), 研究已經(jīng)成熟, 相關(guān)的研究論文的占比很高, 該研究的領(lǐng)域為吸波器、 調(diào)制器和濾波器等。 紅蘋果表示這項研究已經(jīng)持續(xù)了很長時間, 距離第一次提出的工作已經(jīng)持續(xù)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]設(shè)計提出, 這是吸波器和EIT最早提出的時間, 距今的時間已經(jīng)超過10年。 Li等在2011年提出了基于石墨烯超材料THz調(diào)制器, 調(diào)制器的動態(tài)調(diào)節(jié)是通過添加偏置電壓控制石墨烯的費米能級實現(xiàn)的[66]。 近6年來, 關(guān)于吸波器, 調(diào)制器, EIT等研究主要集中在2016年—2018年, 2018年之后這些研究已達到飽和。 相比之下, 橙蘋果表示的研究領(lǐng)域目前正被廣泛研究, 并迅速走向成熟。 這些領(lǐng)域包括偏振轉(zhuǎn)換(占10%)、 非對稱傳輸(占5%)、 波前調(diào)制(占5%)、 編碼超表面(占5%)和THz天線(占7%), 蘋果樹中的青蘋果表示THz超材料功能器件未來的發(fā)展方向。 可以看出生物傳感器的研究、 機器學(xué)習(xí)以及量子糾纏超表面是研究的發(fā)展前沿。 由于THz波對生物組織沒有損傷, 使得THz生物傳感器超表面成為未來的重要發(fā)展方向。 機器學(xué)習(xí)在人臉識別、 量子計算、 圖像恢復(fù)等[67-69]領(lǐng)域都顯示出了強大的優(yōu)勢。

圖7 近8年(2016年—2023年)在各領(lǐng)域發(fā)表的文章和評論的比例分布餅形圖

圖8 THz超材料功能器件知識樹[70]

超表面設(shè)計中, 機器學(xué)習(xí)可通過建立光場和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的網(wǎng)絡(luò)連接, 取代了傳統(tǒng)的電磁模擬過程。 因此, 通過不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以找到最優(yōu)參數(shù)解。 采用機器學(xué)習(xí)方法逆向設(shè)計超表面可以大大減少操作時間和成本。 隨著超表面在經(jīng)典光場調(diào)節(jié)方面的廣泛研究, 使得科研人員對超材料在量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了極大興趣。 量子信息是目前最活躍的研究領(lǐng)域之一, 量子比特是量子信息最基本的單元, 與經(jīng)典比特相比, 量子比特能夠處于“0”和“1”的疊加態(tài), 這使得具有n對量子糾纏的量子計算機可以存在2n個本征態(tài)的疊加。 超表面可以自由地操縱光子的多個自由度, 如波長、 偏振、 軌道角動量、 空間路徑等, 以提供更多的量子糾纏態(tài)。 量子糾纏超表面可以實現(xiàn)更多的量子糾纏對, 在量子態(tài)的制備和操縱以及量子器件的集成方面具有重要的應(yīng)用價值。 其次, 將超表面與量子發(fā)射器的集成可以有效提高單光子發(fā)射器的性能。 此外, 全介質(zhì)超表面的出現(xiàn)使得超表面制備和操縱多光子糾纏態(tài)成為可能。

3 結(jié) 論

采用CiteSpace視覺分析方法對THz超材料功能器件的文獻數(shù)據(jù)進行了分析。 它不僅展示了THz超材料功能器件的整體研究現(xiàn)狀, 而且還分析了THz超材料功能器件的研究熱點和發(fā)展趨勢。 該分析工作將為THz超材料功能器件在未來的應(yīng)用提供更多的思路, 并進一步促進該領(lǐng)域的發(fā)展。