時間：2023-03-21 17:00:57
序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇納米科學論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結構的制備和表征。在這個領域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導致人們對納米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結構（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應占主導地位，這導致非經典的行為，譬如，量子限制效應和分立化的能態、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現象除引起人們對基礎物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業有器件持續微型化的趨勢。根據“國際半導體技術路向（2001）“雜志，2005年前動態隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現。到2005年類似的問題將預期出現在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎物理極限就會達到。隨著傳統器件尺寸的進一步縮小，量子效應比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關速度。在光電子學上，量子點激光器展現出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優點，其中大微分增益可以產生大的調制帶寬。在傳感器件應用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內探測的可能性，這將導致生物醫學上迷你型的侵入診斷技術出現。納米尺度量子點的其他器件應用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經被提出，可以肯定這些應用會給我們帶來許多潛在的好處。總而言之，無論是從基礎研究（探索基于非經典效應的新物理現象）的觀念出發，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優點以及因應半導體器件特征尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使）的角度來看，納米結構都是令人極其感興趣的。
II.納米結構的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結構的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結構直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）。“build-up“的優點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學合成可以用來制備納米元件。目前，在國內、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團簇。這些努力已經證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結構的合成后工藝再加工相當困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法。可是這些合成的納米結構直到目前為止仍然難以有什么實際應用，這是因為它們缺乏實用所苛求的尺寸、組份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結構的功能性質相當差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結構適合此類的應用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機理與現代工業裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統方法。“Build-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術路徑來制造納米結構。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結構來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來制造量子點結構。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續波量子點激光器也已經報道。無論是何種材料系統，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經接近或達到商業化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結構的優化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導致它們的光發射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優點。由于量子點尺寸的統計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結構中這種譜展寬效應可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統而帶來的優點。怎樣優化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關重要的。
很清楚納米科學的首次浪潮發生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經證明了納米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結構制造。這些成果向我們展示，如果納米結構能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學和技術的第二次浪潮很可能發生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結構的潛能以及期望功能能夠得到兌現。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關鍵點是納米結構的人為可控性。
III.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發揮量子點的優勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經預刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發態子能級效應，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰性的技術難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統光刻所能達到的精度極限。有幾項技術可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通常可以用來制作特征尺度小至50納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成制備空間上緊鄰的納米結構的困難。這項技術的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規模工業生產。電子束投影系統如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發展之中以便使這項技術較適于用于規模生產。目前，耗時和近鄰干擾效應這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術。但不同于電子束光刻的是這種技術并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強的氧化機制的。此項技術已經用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區域典型地小于針尖尺寸）。這項技術已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術上的技術進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術的顯著優點是它的杰出的分辨率和能產生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術。
—多孔膜作為淀積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復制。用這項技術已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術是一種基于不同聚合物的混合物能夠產生可控及可重復的相分離機制的技術。目前，經過反應離子刻蝕后，在旋轉涂敷的倍塞共聚物層中產生的圖形已被成功地轉移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產生；在第二種情況，島狀結構能夠產生。目前利用倍塞共聚物光刻技術已制造出GaAs納米結構，結構的側向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術緊密相關的一項技術是納米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉涂敷的球珠膜中形成的圖形轉移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業化的產品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術的能力已得到確認。納米球珠光刻術（納米球珠膜的旋轉涂敷結合反應離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結構。
—將圖形從母體版轉移到襯底上的其他光刻技術。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復制鑄模法的可能優點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優點是不需要加熱。納米壓印術已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。除傳統的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術中溫度被發現是一個關鍵因素。此外，應該選用具有較低的玻璃化轉變溫度的聚合物。為了取得高產，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經被制作出來。已有少量研究工作在試圖優化壓印溫度和壓力，但顯然需要進行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優化參數。高圖形密度戳子的制作依然在發展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優化和改良是必需的，但此項技術似乎有希望獲得高生產率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。IV．納米制造所面對的困難和挑戰
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術都有其優點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術可以用來高產量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復制模版上的圖形
3．轉移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰性的一步。先前描述的各項技術，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術，已經能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術都因相當費時而不適于規模生產。納米壓印術則因可作多片并行處理而可能解決規模生產問題。此項技術似乎很有希望，但是在它能被廣泛應用之前現存的嚴重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術刻寫的納米結構的形狀非常有限。當這些技術被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復雜結構的圖形。為了能夠制造出高質量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術典型地不產生或者產生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側墻的結構，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結構的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優化條件下可以獲得陡峭的側墻。直到今天大多數刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結構都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結構表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續微型化的趨勢的發展，普通光刻技術的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術制備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術仍在研發之中，可是發展這些技術遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關聯的近鄰干擾效應問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術。掃描微探針技術提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術則提供了實現成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術是足夠用的，但并不能解決微電子工業所面對的問題。需要將圖形從一張模版復制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學自組裝圖形形成機制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產率，某些技術問題如穿刺及因灰塵導致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術而言，它的運行和維修成本應該低，它應具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結構的能力，還應有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結構的功能。此外，它也應能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件。現在還難說是否上述技術中的一種或者它們的某種組合會取代傳統的光刻技術。究竟是現有刻寫技術的組合還是一種全新的技術會成為最終的納米刻寫技術還有待于觀察。
另一項挑戰是，為了更新我們關于納米結構的認識和知識，有必要改善現有的表征技術或者發展一種新技術能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結構的能力對于研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表征單個納米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表征工具能夠用來確定一個納米結構的表面結構到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(TEM)能夠用來研究一個晶體結構的內部情況，但是它不能提供有關表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術（STM）和原子力顯微術（AFM）能夠給出表面某區域的形貌，但它們并不能提供定量結構信息好到能仔細理解表面性質所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區域光譜信息時，它們能給出的關于局部雜質濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關納米結構的所有重要結構和組份的定量信息非常有限。
本書對現代凝聚態物理學和統計物理學的各個關鍵領域提供了一個非常及時與全面的綜述。書中19篇原創性質的論文被分成了三個主要的領域，即無序與動態系統；結構與玻璃；電性質與磁性質。這些論文的作者中間就包括了像M?E?Fish-er，A?A?Maradudin，M?F?Thorpe，M?Balkansk，T?Fujiwara這樣著名的科學家。因此本書非常值得一讀。
本書的卷首是R?J埃利奧特教授的開幕式演講“物理學中的有序與無序”。其余的文章被分成了三個部分，共19章。第一部分無序與動態系統，包含第1-5章。1 對有趣但與愿望相違球面模型的反思；2 向量自旋玻璃的相位轉換；3 轉換、動態特性與無序從平衡到不平衡系統；4 3分量2維生長與競爭交互作用的混合；5 混沌邊緣玻璃狀的動態特性。第二部分結構與玻璃，包含第6-12章。6 生命分子中的柔性；7 碳納米管的點陣動態特性；8 由于運動約束的玻璃狀特性，從拓撲學泡沫到巴加門；9 玻璃轉變與急驟冷卻效應；10 介質損耗作用及為玻璃形成中的馳豫尋求簡單的模型；11 圖靈模式構成理論；12 雙八面癸基胺單分子層：非平衡相疇。第三部分電性質與磁性質，包括第13-19章。13 隨機粗糙金屬表面光反射二次諧波產生的多散射效應；14 大規模電子結構計算理論；15 對稱磁團簇；16 維半導體量子線中的光學與費米界異常；17 利用疇壁激發探測多分子層中的磁耦合；18 量子滲透問題中的電子狀態密度；19 熔化描述動力學作用構建中的功率項。
本書可供從事凝聚態物理及統計物理的物理學家及研究生閱讀借鑒。
化學科學是研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各種不同尺度和不同復雜程度的聚集態的合成反應、分離和分析、結構形態、物理性能和生物活性及其規律和應用的科學。隨著新世紀腳步的不斷加快，作為物質科學組成之一的化學科學將愈來愈引起世界各國的關注。化學中的前沿科學也將成為化學工作者關注的焦點。
從一定意義上講，科學論文的發表是科學成果被人們承認的唯一形式。一定頻次的引用反映了某篇論文重要性的程度，超高頻次的引用，常可認為其研究成果引發了科學研究的熱點或在科學研究中取得突破。因此，近期化學科研論文的引用情況也體現了化學學科前沿的科學研究成果，以及當前國際化學前沿的特點和變化趨勢和研究方向。據中科院文獻情報中心的報道，90年代的化學研究前沿領域有：
（1）富勒烯C60的研究導致發現了自然界一類新的物質――碳的另一種存在形式，并對宇宙內碳循環和經典芳香性的關系這一理論化學的關鍵問題有了全新的認識，開辟了新的化學研究領域。
（2）模擬程序和密度泛函理論的發展引起整個化學領域的革命，使量子化學成為成千上萬化學家手中的工具，可用以預測和闡明物質的化學性質。
（3）對不同管徑和纏繞角的單壁碳納米管的結構和導電性質的研究展示了單壁碳納米管在納米分子電子學領域的應用前景。
（4）人工合成新藥的發展：天然抗癌藥物的人工合成以及用以開發新藥的組合化學方法。
（5）組合化學新研究領域的發展打破了傳統藥物開發的模式，可同時合成和篩選大批生物活性物質，大大縮短了新藥開發的時間。組合化學技術還被廣泛應用于催化劑的篩選、手性化合物合成等材料科學領域。
（6）仿生聚合物是一種先進材料，它的人工合成向模仿機體功能的“目標”邁進了一步。
（7）分析化學在這一階段已不再僅僅是化學家手中的工具，它已發展為一門分析科學。它一方面為人們提供關于物質，特別是構成生命的基本物質的組成和結構甚至生命過程的信息；另一方面，在精密分析儀器本身的研制上不斷獲得進展。
（8）計算機技術的飛速發展使化學家的研究手段產生巨大變革。有關生物大分子（如蛋白質、核酸）多維結構圖像實現和精細結構表達的程序及軟件包的研究受到化學界的極大關注。
（9）有機反應、不對稱合成及催化是90年代以來的持續熱點。這是一個有工業應用前景和巨大市場潛力的、一直很活躍的研究領域。
在經歷了20世紀的空前繁榮發展后，進入21世紀，化學學科面臨著四大難題。第一，合成化學難題――化學反應理論；第二，功能結構化學難題――結構和性能的定量關系；第三，生命現象的化學機制――生命化學難題；第四，納米尺度難題。徐光憲院士等科學家認為21世紀是信息科學、合成化學和生命科學共同繁榮的世紀，化學的微觀方法和宏觀方法相互結合，相互滲透這一潮流將進一步向前發展，并提出了新世紀的化學科學包含了對下列八個層次的物質對象的研究：
（1）原子層次的化學：其中包括核化學、放射化學、同位素化學、sp區元素化學、d區元素化學、4p區元素化學、5f區元素化學、超5f區元素化學、單原子操縱和檢測化學等。
（2）分子層次的化學：現已合成的2000余萬種分子和化合物，通常分為無機、有機和高分子化合物。但近30余年來合成的眾多化合物，如金屬有機化合物、元素有機化合物、原子簇化合物、金屬酶、金屬硫蛋白、富勒烯、團簇、配位高分子等很難適應老的分類法。21世紀將研究分子的多元分類法，如按照分子片結合方式和生成的分子結構類型分類，可分為0維、1維、2維、3維分子等。
（3）分子片層次的化學：原子只有110余種，但分子數目已超過2000萬種，因此有必要在原子和分子之間引入一個“分子片”的新層次，在21世紀應該開展分子片化學的研究。
（4）超分子層次的化學：其中包括受體和給體的化學、鎖和鑰匙的化學、分子間的非共價作用力、范德華引力、各種不同類型的氫鍵、疏水-疏水基團相互作用、疏水-親水基團相互作用、親水-親水基團相互作用、分子的堆積組裝、位阻和各種空間效應等。
（5）宏觀聚集態化學：其中包括固體化學、晶體化學、非晶態化學、流體和溶液化學、等離子體化學、膠體化學和界面化學等。
（6）介觀聚集態化學：包括納米化學、微乳化學、溶膠-凝膠化學、軟物質化學、膠團-膠束化學和氣溶膠化學等。
（7）生物分子層次的化學：包括生物化學、分子生物學、化學生物學、酶化學、腦化學、神經化學、基團化學、生命調控化學、藥物化學、手性化學、環境化學、生命起源、認知化學和從生物分子到分子生物的飛躍等。
（8）復雜分子體系的化學。從以上分類可以看出，新世紀化學別值得關注的有化學信息學、分子片化學、超分子化學、生命化學、納米化學、理論化學和復雜分子體系的化學等。
隨著化學分支學科的重組及其它學科的交叉、融合和不斷滲透，21世紀初化學學科的前沿方向與優先領域有：綠色化學與環境化學中的基本化學問題、材料科學中的基本化學問題、合成化學、化學反應動態學、分子聚集體化學、理論化學、分析化學測試原理和檢測技術新方法建立、生命體系中的化學過程、能源中的基本化學問題、化學工程的發展與化學基礎等。
參考文獻：
[1]劉春萬.研討我國理論化學跨入新千年發展的一次盛會[J].化學進展，2000， 36（2）： 230-232.
關鍵詞:體育文獻計量;運動人體科學;碩士研究生學位論文;中國
中圖分類號:G804文獻標識碼:A文章編號:1006-7116(2010)11-0111-04
Analysis of theses written for a Master of Science degree in the human movement science specialty between 1999 and 2009 in China
LIN Hua,XIA Xue
(School of Physical Education,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)
Abstract: By basing their research specimens on theses written for a Master of Science degree in the human movement science specialty between 1999 and 2009 in China, the authors analyzed these theses in terms of thesis topic selection, thesis research subjects, thesis research methods, and application value of thesis research achievements, summed up the characteristics and changing trend of these theses, and revealed the following findings: with the expansion of the scale of recruitment of graduate students studying for a Master of Science degree, in the selection of thesis topics written for a Master of Science degree in the human movement science specialty, there were more fundamental application researches than pure fundamental researches and developing researches, and there were signs of inadequate novelty of topic selection, repeated topic selection, and deviation of topic selection from sports practice; the thesis research subjects are mainly animals, seldom the human body; the thesis research methods were mainly experimental methods and quantitative methods; more thesis research achievements were applied to the competitive sport area than to mass sports fitness and scholastic physical education.
Key words: sports bibliometrics;human movement science;thesis written for a Master of Science degree;China
學位論文在某種程度上能夠集中反映某個領域的熱點問題和研究現狀,是衡量研究生學習、科研能力和培養質量的重要指標。本文以運動人體科學專業碩士研究生學位論文為研究對象,以中國知網“中國優秀碩士學位論文全文數據庫”為檢索數據源,檢索項為學科專業名稱,檢索詞為運動人體科學,檢索范圍從1999~2010年,匹配條件為精確,截止2010年5月12日,由此獲得963個檢索結果,其中通過篩選剔除與本研究不相關的學位論文35篇,最后將928篇運動人體科學專業全日制碩士畢業學位論文作為本文研究對象。
運動人體科學是體育科學研究內容的一部分,是研究人體從事體育活動過程中人體變化規律的科學,包括運動生理學、運動醫學、運動生物化學、運動解剖學、運動生物力學、運動心理學等,基本屬于自然科學的研究范疇[1]。根據體育科研成果的性質可將體育科學研究分為基礎性研究、應用性研究和開發性研究3類[2]。其中基礎性研究又可分為純基礎研究和應用基礎研究兩類,而應用性研究和開發性研究又常被歸為一類,以“應用研究”統稱[3]。
1碩士學位論文選題
選題是科學研究工作的第一步,也是最重要的一步。英國著名科學家貝爾納[4]曾指出:“課題的形成和選擇,無論作為外部的經濟技術要求,或作為科學本身的要求,都是研究工作中最復雜的一個階段。一般來說,提出課題比解決問題更困難。”因此,碩士研究生學位論文的選題具有重要的意義。
2002年以前碩士研究生學位論文大多是以生物學傳統的動物實驗、生理生化指標測定、技術動作分析等微觀實驗研究為主,而近些年碩士研究生學位論文逐漸采用一些新技術手段,如蛋白質組技術、基因芯片技術、激光共聚焦技術等,在運動性心臟、骨骼肌以及運動性疲勞方面的研究也有所突破,從傳統的生物學研究向多層次、全方位開展跨學科研究,以系統整體觀點來綜合宏觀和微觀研究,依托基礎性研究突出應用研究。
由表1可以看出,運動人體科學專業碩士研究生學位論文選題,應用基礎性研究論文有509篇,占54.85%,應用性研究論文次之,有327篇,占總數的35.24%,而開發性研究和純基礎性研究論文數僅占8.19%和1.72%。
結果顯示,純基礎性研究和開發性研究選題較少,雖說運動人體科學隸屬于自然科學范疇,具有應用基礎性研究課題的屬性,但其本身還是存在著基礎研究-應用研究-開發研究的內在結構,只有各研究類型均衡發展,才能夠有效促進整個學科研究的進步。因此,在研究生學位論文這個特殊科研群體中,應特別注重科學研究的均衡發展。
從運動人體科學專業碩士研究生學位論文的分析來看,研究內容豐富,選題方向多樣,能夠體現當前運動人體科學研究領域的新熱點、新問題。運動生理學、運動解剖學、運動生物化學、運動生物力學、運動醫學、體育保健學等傳統研究方向的研究內容不斷深化的同時,一些新型的研究方向也逐漸呈現在運動人體科學專業碩士學位論文中,如低氧訓練的生物學基礎、高原訓練和運動員機能監控、人體功效學、生物力學研究及運動器材研發、體育工程學等。
2002年以前運動人體科學碩士學位論文研究集中,在骨骼肌生理、心血管機能、疲勞與恢復、營養、激素及內分泌、機能評定、免疫等方面,研究高原訓練、代謝方面的論文分別有7篇和6篇[5],而現在碩士學位論文研究高原訓練和代謝的增加到37篇和96篇。如今運動人體科學碩士學位論文在傳統研究領域更加深入,同時還有些新的研究內容不斷增加,如基因多態性與運動能力的關聯性研究、納米技術、蛋白質組學技術、中醫保健以及運動人體科學網絡教學平臺的建立等。不過,近年一些研究如基于核磁共振的代謝組學方法、自由基生物學等生物工程技術已應用于運動人體中,但碩士學位論文中還甚少涉及。
運動人體科學是體育教育訓練學和民族傳統體育學的基礎[6]。交叉和綜合選題成為運動人體科學專業碩士學位論文中的普遍現象,不僅涉及到同級學科不同方向之間的交叉選題,還涉及到同級學科之間和跨學科之間的交叉選題,使研究課題具有更強的生命力。因此,運動人體科學研究生在進行論文選題時要拓寬研究視野,突破思維局限,敢于創新呈現更有價值的研究成果。
2碩士學位論文研究對象
研究對象是科研論文根據研究目的所選擇和組成的客體,本文通過對928篇運動人體科學專業碩士研究生學位論文的梳理,發現以動物模型為研究對象的有409篇,占44.07%;以運動員為研究對象208篇,占22.41%;以軍人、老年人、患病者等為研究對象的有104篇,占總數11.21%;以大學生為研究對象的有93篇,占10.02%;以少年兒童為研究對象有67篇,僅占總數的7.22%。
由此可見,運動人體科學專業的碩士學位論文以動物模型為研究對象最多,而以人體為研究對象的論文,選擇的群體相對廣泛,選擇研究對象最多的是運動員,其次是大學生,少年兒童相對較少。
3碩士學位論文研究方法
一門科學的發展依賴于研究方法手段,而研究方法的發展有利于該科學的發展,運動人體科學是體育科學中一門重要的基礎性學科,它的發展直接影響著體育科學研究的進程,作為體育科學的一個分支學科,它的發展同研究方法手段發展也是分不開的[7]。從本文分析的碩士學位論文看,大部分論文能夠從多層次、多角度、多學科的范圍研究問題,采用的研究方法有文獻資料法、調查法、實驗法、訪談法、測量法等,采用最多的是實驗法,這也符合運動人體科學專業的研究特點。而與體育人文社會學專業學位論文多采用文獻資料法,調查法等[8]不同的是運動人體科學論文的研究習慣以實驗為基礎,以客觀量化的數理統計為依據,以觀察法、訪談法、文獻資料法為輔助研究手段進行多種方法綜合運用的研究。
從質與量的角度可將研究方法分為比較、歸納、分類等的定性分析法,數理統計的定量分析法及運用數理統計而仍以定性方法研究的半定量分析法。在本研究中發現,運用定量分析法研究的學位論文占總數的63.79%,定性分析法研究占13.69%,半定量分析法研究占22.52%。其中運動生物力學、運動生物化學、體育測量與評價研究采用定量分析法的分別占82.27%、80.53%、70.15%。結果充分體現研究論文多以定量數據分析為主。
4碩士學位論文的應用價值
動物實驗在生命科學、醫學等研究中越來越顯示出它的巨大作用,也成為生物學、醫學的一門主要研究方法,是探討生命奧秘、人類疾病機制及治療等不可缺少的手段。運動人體科學與生物學、醫學一樣,同屬于自然科學的分支學科。單從研究對象選擇可以看出,運動人體科學專業碩士學位論文多以動物實驗為主,大多數運動機制是在動物實驗中實現的。近年來,隨著基因技術的日益發展,各種基因表達形式也逐漸成為運動人體科學研究的熱點。
研究動物的優點在于動物具有廣泛的遺傳基礎,個體差異較大,在模擬人體運動的某些研究中是比較有用的,其實驗結果也帶有一般性和普遍性,尤其在選擇一些誘發性動物模型時,能夠在短期內復制出大量模型,并能嚴格控制各種條件,使復制出的模型運用于不同研究目的要求,具有一定的代表性。如能正確的掌握和運用動物實驗方法,可使實驗者節省人力、物力和時間,同時還能獲得可靠的實驗結果,減少研究的盲目性。但動物實驗同時存在著很多缺陷。運動人體科學畢竟是要研究人運動的一些機能機制,動物的發生發展過程、運動特征及環境與所效仿的人類運動還存在不同程度的差異。在體育領域中,從實用價值角度看,人體實驗的研究更能直接說明問題。
縱觀運動人體科學專業碩士學位論文的發展,根據科學研究的目的、任務和需要,運動人體科學碩士學位論文研究成果應多從研究人類運動的角度出發,將基礎理論研究合理運用到運動實踐中。
除了以動物模型為實驗對象外的519篇論文中,研究成果與競技體育有關的論文230篇,其中基礎性研究63篇,應用性研究119篇,開發性研究48篇,主要研究運動員身體機能評定與訓練監控,運動員身體恢復的手段和方法、新技術、特殊儀器應用于運動員訓練等。如低氧訓練是當前運動訓練研究的熱點之一,在運動人體科學專業碩士學位論文中有40篇論文與低氧訓練的機制及應用有關。
從多維角度思考,研究成果的“社會化”既是滿足社會需要的程度,也是衡量體育科學研究社會價值的最好尺度[9],在運動人體科學領域,除服務于競技體育研究范圍外,在全民健身范圍內,人類健康與健身運動領域也應得到重視,大眾體育的發展,必將接受運動人體科學理論的指導,并將體育納入“一級預防”的“預防醫學”框架之中。在我國推出《全民健身計劃綱要》的目的就是為了建立科學、文明、健康的生活方式,提高全民族的身體素質[10]。在運動人體科學碩士學位論文中與群眾體育有關的研究有115篇,占總數的22.16%,主要研究包括不同運動方式對人體身體形態、機能及身體素質的研究,各種力學負荷對人體運動功能的影響,慢性病患者的運動健身指導方案,“現代文明病”的根治及抗衰老與體育運動保健的研究,人體體質健康狀況及因素分析,不同人群運動健身的特點與方法,運動與營養膳食處方的指導等。
近年來我國的肥胖癥患病率呈上升趨勢,肥胖少年的增長比例更大,成為兒童時期一個重要的健康問題,兒童單純性肥胖可作為高血壓、高血脂、動脈粥樣硬化、糖尿病等誘發因素之一。學校體育也成為現在體育科學研究的領域之一。學位論文的研究涉及到學校體育的有174篇,其中包括對學生的體質健康水平狀況、兒童青少年生長發育狀況、不同運動對學生生理機能評定、體育院校學生專項教學訓練素質等。
5小結
運動人體科學是一門綜合應用性很強的學科,通過對運動人體科學專業碩士學位論文的分析,發現運動人體科學專業研究生論文選題多以應用基礎研究為主,純基礎研究及開發性研究比例相對較少,選題方向不均衡,但隨著體育科學研究領域研究內容日益發展,創新性研究課題也將成為研究生學位論文的選題的必然趨勢。
運動人體科學專業碩士學位論文的研究對象大多以動物模型為主導,繼承自然科學研究傳統的研究模式,但為了能更好在體育運動領域發揮運動人體科學研究的作用,直接采用人體實驗將是運動人體科學應用于運動實踐的突破點。在設計實驗,采取合適的研究對象是科研論文成敗的關鍵,在碩士論文研究中應重點考慮如何將人體實驗與動物實驗的優勢相結合。
運動人體科學專業碩士研究生學位論文的研究方法,還是以傳統的實驗研究與定量分析法為主流驗證結論,定性研究與定量研究相結合的多元綜合方法應用將在今后運動人體領域科學研究穩步發展,移植更新更有效的研究方法必將成為體育領域科學研究的重點。
從運動人體科學專業碩士研究生學位論文整體分析來看,其學位論文的研究成果應用價值更多的還是局限在競技體育范圍內,應用于大眾運動健身以及學校體育領域相對較少。
參考文獻:
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專利權人發明人
引文網絡合作網絡
[分類號]G350
社會網絡分析(social network analysis，SNA)是對社會關系結構及其屬性加以分析的一套規范和方法，在社會學研究中已經得到廣泛的應用，然而，將社會網絡分析方法引入專利分析的國內外研究工作相對較少。2008年，德國學者Sternitzke等指出，社會網絡分析方法才剛剛開始進入專利分析領域，應用前景廣闊：；Chang等指出，專利網絡分析是一種先進專利分析技術，由Yoon和Park在2004年正式提出。
1專利引用網絡研究進展
專利引用網絡中的“節點”即各件專利；“連接”即在專利引用網絡中各專利自引和他引的關系，包括引用連接和被引連接。Hsueh等指出，基于網絡分析的引用分析是專利引文分析的一種替代方法。基于專利文獻的引用關系，可以延伸出對專利權人和發明人之間的引用關系，以上專利文獻、專利權人和發明人等的引川都可歸類為“直接引用”網絡；此外，還可以構建專利文獻、專利權人、發明人等的共引、專利耦合網絡等。
1.1專利引文網絡
專利引文網絡是專利引用網絡研究的主體，可以用于研究不同學科主題之間的跨學科引用網絡或學科內部的引用網絡，包括隨著時間發展的演進網絡或知識流網絡。例如，Wartburg等通過多級專利引文分析方法對技術演進進行了研究；Gress通過對1963―2002年美國專利的引文分析發現，隨著時間的增長々利引用及專利數呈現出爆炸式增長，引文網絡出現塊狀(clumpy)特征，即一些引文網絡區域連線緊密，而有些區域則稀疏，其原因之一是由于不同學科類別之間存在引用關系，進而導致塊狀結構的形成。
目前針對專利文獻引文網絡中間中心性(betweeFt.ness)較高的節點的重要性研究還非常少見，直到近幾年，在網絡結構和演進層面的工作才逐步增多。Hung等在2008和2010年分別基于LCD和RFID專利，對專利引文網絡的小世界現象的研究發現，專利引文網絡確實可以成為小世界網絡，此外，專利引文網絡還具有冪律分布特征。
專利直接引文網絡是一種有向網絡，Smilkov等對美國專利引文有向網絡的rich-club和page-club系數的研究發現，核心專利更傾向于被其他核心專利所引用。Bommarito等指出，專利引文網絡是一種重要的無圈有向圖(acyclic djgraphs)，對通過學術引用的思想傳播、創新傳播研究具有重要價值，他們利用距離測量(distance measure)和層次聚類算法(hierarchicalclustering algorithm)對美國專利動態引文網絡進行了分析。
1.2專利權人引用網絡
通過對專利權人的引用網絡進行分析，可以檢測核心專利權人、發現潛在競爭對手等。例如，Sternitzke等研究發現，LED領域專利權人引用網絡分析可以用于解釋專利權人的市場行為，如合作和專利侵權訴訟等。
通過專利權人耦合網絡的研究，可以發現引用相同專利的專利權人組合，進而對不同專利權人進行分類。例如，Huang等利用專利耦合方法對臺灣高技術公司的引用網絡分析發現，可以將臺灣高技術企業聚類成6大簇，包括半導體、計算機設備、掃描儀、筆記本／顯示器、系統和IC設計／封裝。
1.3專利引證絡
早在1995年，Narin等通過針對美國專利引證科學論文的研究發現，美國技術與公共科學之間的關聯越來越強；然而Meyer在2000年針對納米技術的研究卻發現，基于專利引文分析很難發現被引論文與引證專利之間的直接連接。但科學計量學界對此方面的研究熱情卻依舊不減，如Acosta等通過專利引證淪文對西班牙科學一技術流進行了研究。最近，有少量工作開始采用社會網絡分析方法對專利引證論文進行研究，如Gao等采用社會網絡分析方法，分析了美國專利數據庫中的中國專利所引用的中國科技期刊共引網絡。
1.4專利耦合網絡
文獻耦合研究最初用于論文研究，最早提出將文獻耦合思想用于專利計量分析的是Narin，有代表性的工作包括：Huang等利用專利耦合方法對臺灣高技術公司的引用網絡分析；Kuusi等利用專利耦合網絡對納米技術領域的技術預測研究。
與專利耦合研究原理相近，Weng等在專利引用網絡中引入了結構等價(structural equivalence)的概念，采用塊模型(blockmodel)對專利進行分組研究。所謂結構等價，即指在專利引用網絡中擁有相同位置的兩件專利擁有結構等價性，此時擁有結構等價性的兩件專利會被分到一個塊(block)中，一般情況下擁有結構等價性的兩件專利在技術上相近或擁有相近的知識基礎。
1.5專利引用分析用于研究知識流
知識流研究包括三個層面：國家層面的知識流(macro)、工業層面的知識流(meso)和企業層面的知識流(micro)，目前研究較多的是macro和micro兩個層面，如Shih等基于專利引用分析了國家之間的技術分布及知識流情況，而對meso層面的研究較少。
理解工業間的知識流有助于構建知識簇和設計國家創新系統(national innovation system，NIS)，知識流可以分為實體知識流(embodied knowledge flow)和無形知識流(disembodied knowledge flow)，前者通過包含新技術的機器設備或元件的購買進行流動，后者則通過人員流動和研究溢出而產生。基于專利引文的知識流分析則屬于無形知識流的范疇，也是目前專利引文分析的一個重要研究領域，下面介紹兩個富有代表性的研究成果。
Hu等采用雙指數知識擴散模型研究東亞國家之間的知識流發現，在東亞7國或地區(中國大陸、香港、韓國、馬來西亞、新加坡、中國臺灣和泰國)中，中國臺灣已成為東亞經濟知識擴散的源頭，韓國和新加坡對臺灣專利的引用頻率比對美國專利的引用頻率更高，臺灣對韓國專利的引用高于對日本和美國專利的引用，中國和馬來西亞對臺灣和韓國專利的引用高于對日本和美國專利的引用。
Igami等對納米技術歐洲專利的引用演進網絡進行分析發現，不同納米技術子領域之間的知識流現象比較少，每個子領域的發展似乎更多地依賴本領域自身的推動。
1.6功能與作用辨析
盡管上述專利引用分析方法在一定程度上能反映
出專利文獻、專利權人或發明人的技術影響力、研發競爭行為等特征，但如果要借助這些信息直接對機構的技術影響力進行判斷，還需慎重。首先，盡管一些研究結果證明專利引用可以用于表征知識流，但也有針對專利引用分析作為專利分析指標的批評。其次，Alcacer和Gittelman強調，美國專利商標局和歐洲專利局的審查員在審查發明專利申請時的方法完全不同，從而對每件專利的相對引文數量產生了強烈的影響。而且，美國專利商標局與歐洲專利局所依據的不同法律也影響了專利引文的數量。Michel和Bettels指出，美國專利商標局的引用數量是歐洲專利局的3倍。最后，研究人員還發現，發明人更傾向于引用地理位置相對接近的發明人的專利，這也會影響到引用數據的變化。
2專利合作網絡研究進展
2.1專利權人合作網絡
度數相關性(degree correlation)是研究網絡結構的有效_[具之一，lnoue等對日本專利權人的合作網絡分析發現.專利權人合作網絡的節點度數之間呈現零相關；此外，節點度數分布滿足冪律分布特征，節點簇系數之間呈現負相關。
在研究網絡的節點度數分布特征時，通常情況下，研究人員采用最小二乘法用于擬合和估算冪律分布的斜率，該方法有兩個致命的瑕疵：①人們無法確定節點度數分布是否真正滿足冪律分布；②無法確定哪部分分布符合冪律分布特征。為此，Clauset等提出了一種將最大似然法和基于K-s檢驗的適合度測試方法整合在一起的方法，首次解決了上述兩個難題。
專利權人合作網絡具有無標度網絡的特征，在研究無標度網絡的增長模型時，Barab6si和Albert在1999年提出的偏好依附模型(preferential attachmentmodel)最為常用，新節點選擇現有節點進行連接的概率是n(k(mi)=k/∑=(mi)k(mi)，其中k(mi)，是節點的度數。基于此模型得到的節點分布函數滿足p(k)。ck(h3)。然而，該增長模型并未考慮連接的距離因素，為此，Inoue等在2010年又采用對偏好依附模型的改良增長模型(gTowlh model)對日本專利權人合作網絡的發展進行r研究。他們采用的算法是：從一個擁有m(mn)個節點的完整網絡出發不斷增JJIJ節點，增加m個連接，連接增加的概率公式為tl(k(mi)，d(mij))。ck(mj)/d(mij)，其中i代表新增節點，j代表已有節點，k(mi)是節點j的度數，d(mij)是節點i和j之問的地理距離，a和σ是常數。
2.2發明人合作網絡研究進展
發明人合作網絡的研究包括發明人在合作網絡中所處的位置研究、發明人合作網絡的小世界現象與創新的關系研究等。主要的研究方向包括以下幾個方面：
?發明人合作網絡的小世界現象。Fleming等采用多維分析方法研究發現，發明人之間合作網絡的小世界現象促進了科技創新。Chen等通過對1975-2006年16個國家的美國專利研究發現，主成分的規模越大將明顯增強國家的創新生產力，發明人合作網絡的小世界現象有助于國家創新，但這種正而作用儀限于一定范圍內，超過這個范圍則起到反作用.此時路徑長度與創新產出能力成反比。
?發明人合作網絡的地理空間分布差異性及關系研究。Wilhelmsson發現，發明人合作網絡的空間分布具有非均一性，其空間分布受就業密度和產業多樣性影響，在人口密集、產業多樣性豐富的區域更易形成發明人合作網絡。然而，市場規模卻對發明人合作網絡有負面影響，在大都市地區發明人合作網絡相對減弱，人口稠密區的研發人員不僅傾向于更多的合作，而且還會和空間距離更遠的合作者進行合作。
?有關發明人合作網絡的研究被用于分析不同簇的拓撲學特征。例如，He等對美國新澤西州和田納西州電信企業的發明人合作網絡的基本拓撲學結構和網絡演進情況的研究發現，地理區間簇的拓撲學特征直接決定了發明人合作網絡的特征；同時，發叫人合作網絡的結構特征也會隨著區域經濟和社會條件的改變而變化。Lobo等采用社會網絡分析方法對1977-2002年之間美國不同城市發明人之間的跨地區合作以及城市內發明人凝聚現象進行的研究發現，城市內發明人的凝聚現象對專利產出的貢獻要明顯強于發明人合作網絡的結構特征。同時還發現，孤立發明人的凝聚對專利產出有正面促進作用，而合作網絡的密度對專利產出起負面作用。
?在發明人合作網絡分析中，更多的關注點集中在針對網絡節點度數的研究上。特別是中心節點對知識傳播所起到的關鍵作用，如中心節點對新的弱連接產生的影響等；反過來也可以通過發明人合作網絡的社會網絡分析，發現中心節點，包括度數中心節點、鄰接中心性節點和中間中心性節點，位于中心節點位置的發明人多數都是優秀的工程師，他們位于內部交流網絡的核心位置。例如，有研究發現，位于不同發明人團隊之間或研發部門之間的中間發明人具有更高的々利產出數及被引頻次。說明處于不同研發背景團隊之間中介地位的發明人受益于團隊問信息流所帶米的益處，對其專利產出的數量和質量產生正面影響。同時發明人合作網絡的中心性節點也具有更高的被引頻次特征。Breschi等通過對科學家與發明人合作網絡的分析，也發現了那些鏈接科學家合作網絡與發明人合作網絡兩個簇的橋點在科技創新中的重要作用。
?基于發明人合作網絡的演進分析是當前訂的研究熱點之一。Fleming等以美國1975-2002年的發明專利數據為基礎，研究了硅谷和波士頓地區發明人合作網絡的演進情況，發現硅谷發明人合作網絡在1989年出現了急劇的聚集現象，而在波士頓地區的聚集現象則晚于硅谷，且聚集程度不如硅谷劇烈。通過與合作網絡中的關鍵發明人進行面談，發現硅谷新建公司間的持續人員流動促進了網絡的快速聚集現象。該項研究采用逆向時間序列方法，采取敲除每件專利來觀察成分的分裂指數(D)，進而分析發明人合作網絡演進過程中起到決定性作用的專利。
2.3檢測合作網絡的轉型
Betteneourt等在對8個科學領域從產生到成熟的作者合作網絡進行演進分析時，引入了尺度指數(scaling exponent)的概念(edges=A(nodes)，其中為尺度指數)，用于評估合作網絡的轉型。雖然專利網絡與絡存在不同的特征，但將尺度指數引入專利合作網絡的研究仍具有實際意義，Chen等在對中國科學院院屬研究所的專利合作網絡進行演進分析時，引入了尺度指數，研究發現，與上述Bettencourt等分析的8個科學領域不同，中國科學院院屬研究所的
專利合作演進網絡擁有更大的a值。
3專利主題網絡研究進展
專利文獻的分類體系，如國際專利分類號(IPc)、美國專利分類號(USPC)、德溫特專利分類號(DPC)等是分析專利技術主題的主要切人點。
3.1專利主題詞網絡
Yoon等利用專利主題詞向量的歐幾里得距離計算專利文獻之間的距離，建立專利間的關聯關系，采用以下量化技術進行主題網絡分析：
?技術中心度指數(technology centrality index，TCI)，用于發現整個網絡或簇水平的相對重要專利。TCI，=c(mi)/(n-1)，(c(mi)=∑r，r指專利i的連接數，n指專利數目)。某專利的TCI值越高，說明該專利對其他專利的影響越大。
?技術周期指數(technology cycle time index，TCT)，用于測定整個網絡的技術發展趨勢。TCT。：Median((mj)){IT(mi)-T(mj)l，(T(mi)和T(mj)分別指專利i和j的申請日期)，TCT即兩件相關專利i和j申請時間差的中位數。
?密度指數(density index，DI)，用于對不同的簇進行比較，發現每個簇的網絡連接特征。DI=T/[n。(n(mc)-1)]，(T(mc)和n(mc)分別代表簇中連接和節點的數量)，DI測量的是每個簇的內部連接性。簇的DI值越高，說明擁有越多的連接技術包，反之亦然。
Chang等利用該算法研究了碳納米管場發射顯示器(CNT-FED)領域的專利聚類和發現核心專利。
3.2主題相似度網絡
通過基于專利分類號的分布，可以計算不同經濟體、不同地區和不同專利權人的技術相似度。例如，Hu等采用非向心相關性(un.centered correlation)來研究東亞不同國家之間基于美國專利分類號的相關性。
此外，Dou等基于歐洲禽流感專利，研究了各種相關lPC小類之間的關聯強度。楊璧嘉等則基于IPC計算出專利之間的Pearson相關系數，再利用Paiek進行社會網絡可視化，結果用于技術路線圖研究。
4社會網絡分析在專利分析中應用前景展望
將社會網絡分析方法應用于專利分析中具有重要意義，根據本文的綜述，筆者試提出未來專利社會網絡分析的研究重點，供討論：
?用于鑒別關鍵發明人或專利權人、發掘競爭對手。通過專利合作、技術主題關聯和引用網絡分析，可以發現處于網絡重要位置的專利權人或發明人，這些重要的節點可以是中心(度數中心或中間性中心)節點，也可以是橋點。此外，高被引專利可以用來評價專利叢林，引文網絡中關系近的節點說明其技術相關，若在引文網絡中相連的兩個節點在合作網絡中沒有合作，說明二者存在高度競爭關系，若有合作則說明二者在聯合研發新技術。
?專利社會網絡分析在企業創新與管理研究中得到越來越多的關注，包括企業之間的競爭合作以及企業內部發明人之間的合作網絡結構對創新的影響等。例如Paruchuri等發現，公司內部發明人合作網絡中，發明人結構中心性與其對公司創新性的作用呈現倒“u”型關聯關系，這種關系同時又受到公司所處的合作網絡的中心性及結構洞的負調節。此外，su等采用專利家族的優先權專利網絡對公司的專利組合(patent portfolio)進行了分析，服務于企業技術保護與實現戰略目標。
?基于論文和專利之間的引用關系探討科學向技術的轉移仍將是一大研究熱點。現有研究大多數尚停留在計量和統計水平，而缺少在網絡結構和演進動力學水平考察科學向技術的知識轉移的研究，這將是社會網絡分忻在專利分析中的重要潛在應用領域之一。
?更多的專利數據來源將作為專利社會網絡分析的數據摹礎。現有有關專利網絡分析工作大多數都足基于美國專利商標局(USPTO)的專利數據開展的，基于歐洲專利、日本專利、中國專利以及德溫特專利的專利社會網絡分析工作還比較少，屬于待發掘領域。
?專利網絡動力學及演進分析將是今后發展的重點，特別是專利引用網絡以及專利權人合作網絡動力學：及演進分析將是今后的研究熱點之一。近期已經發表的兒篇文章中也正體現了這種趨勢，包括Barber6等基于專利引用網絡對技術演進(主路徑)進行的研究；Lee等基于ICT領域專利數據開展的協同進化研究；Kegler等對機構合作網絡演進的分析等。技術演進路徑識別的算法研究與應用也將是專利演進分析的一個熱點方向，如常見的搜尋路徑連接數目(sPLC)算法和搜尋路徑節點對數(SPNP)算法等，劉倩楠等利用SPNP(stochastic petri net package)算法對以太網技術演進路徑進行了研究。
研究星風
近年來，專業巡天望遠鏡的誕生大大減少了在自家后院天文臺里的觀測者們在某些領域做出科學貢獻的機會，例如搜索小行星和彗星。但是現在，廉價、高分辨率、現成的商品攝譜儀可以填補這個空缺了。甚至在中小口徑望遠鏡上安裝攝譜儀，就可以通過揭示一顆恒星的溫度、化學組成，或者通過揭示天體上原子激發和電離的物理條件，從而獲得有科學意義的結果。
使用加納利天體物理研究所的31英寸反射望遠鏡，Eversberg和他的團隊觀測了天鵝座中的三顆沃爾夫—拉葉星：WR 134、135和137。它們的光球層被高密度氣體云包裹，這些氣體云以非常快的速度運動和旋轉。目視觀測者不會發現這類恒星有什么異常，但氣體云可以在恒星光譜中產生明亮的發射線。通過研究這些譜線，天文學家們可以探索被遮掩的恒星表面與其強勁星風之間的關系，同時檢測這些星風的周期性和隨機的凝聚性。
Eversberg表示：“我們可以說就是光譜天文學中專業人員與業余人員合作的經典范例。”他在位于波恩的德國空間局工作，卻組織了這項以志愿者為主體的光譜研究。他和Anthony Moffat（蒙特利爾大學，加拿大魁北克省）一同發起了這項活動。2009年，他們有目的地組織了一批業余愛好者來到Tenerife島，對一顆溫度極高的雙星WR 140進行近星點觀測，這顆雙星是星風碰撞雙星中被研究得最充分的。他們得到了比2001年僅有專業近星點觀測時多5倍的光譜數據。有了這些業余愛好者的數據，專業天文學家深化了對于該系統的質量、軌道周期和軌道傾角方面的認識。
有了這些來自世界各地的參與者，Eversberg和Moffat組建了ConVento團隊（ConVento在意大利語中意為“隨風”），團隊成員包括致力于星風研究的業余愛好者和專業天文學家。ConVento成員主要使用他們自家的后院天文臺，但是在Tenerife島操作專業級別的望遠鏡卻是這個活動的亮點。Eversberg說：“2009年取得的成功，幫助我們為2013年的觀測活動申請到了望遠鏡時間。專業天文學家已經知道了我們的存在，而且也知道我們能夠干什么。”
捕捉一次性事件
專業天文學家們可以使用絕大多數最先進的望遠鏡和設備，它們都位于世界上最好的觀測臺址。但他們卻沒有業余愛好者所擁有大量觀測時間。長期的測量、巡天和監視需要幾周甚至幾個月的望遠鏡時間，而專業天文臺的觀測時間常常有許多人申請，很難為一支團隊提供這么多時間。而一臺裝有制式攝譜儀的8英寸～20英寸（約合20.32厘米～50.8厘米）望遠鏡也能夠很好地完成這些工作。即便在有光污染的城市，獲得亮星光譜也是有可能的。而且，即使某個晚上在你那里烏云密布，別處的伙伴也能充當替補。
光譜觀測也因此成為了一項新興的、蓬勃發展的“公眾科學”，特別是在歐洲的業余愛好者群體中。目前盡管這種觀測正在發展，但參與人數仍然相對較少。Thierry Garrel說：“法國現在大約有30位認真的觀測者，可能另有約100人對這個領域感興趣。”他是法國“光譜觀測者組織”（ARAS）的成員，該組織是歐洲最活躍的業余天文學組織。
但是這些專注的觀測者中也很少有人完全傾心于這項工作。Eversberg說：“光譜觀測顯得有些枯燥乏味。你必須花費無數個夜晚來獲取數據以供他人分析，而且更槽榚的是，這些數據并不是美麗的照片，而只是圖表和數字。”但你的回報并不僅僅是可以在科學論文中署名。正如Eversberg指出的那樣：“我們的工作不是拍攝無數張獵戶星云的照片，而是見證那些一次性發生的事件。”
讓我們看一看長周期食雙星。在這種系統中，兩顆恒星周期性地互相掩食，目前已經發現了幾十個這樣的雙星系統，但只有幾個得到了較好的研究。它們的長軌道周期使其成為業余愛好者的最佳觀測對象。已知最好的一個食雙星就是御夫座ε，它于2009年～2011年之間通過距離極小點，并且此時有一個暗氣體塵埃云在主星前方越過。上次掩食發生在27年前，當時業余愛好者還沒有攝譜儀。據英國的業余光譜學家Robin Leadbeater報告，有超過800條業余愛好者拍攝的光譜并已被納入專業數據庫，正在幫助天文學家們研究奇怪的蝕云。通過觀測770納米的鉀吸收線，Leadbeater在這團蝕云使恒星變暗前幾個月，以及真正的交食結束之后很久，都看到了這團蝕云。
其它長周期食雙星還包括仙后座AZ和仙王座VV，其軌道周期分別是9.3年和20.3年。仙王座VV將會演化為一個變雙星，它由一顆老年超巨星和一顆熾熱的矮星組成，其光譜顯示出了很強的氫和鐵的發射線。這些譜線來自于這對恒星周圍延展的氣體包層，它們隨時間演化的方式，與星風的模式和速度以及恒星特征參數和軌道參數有關。
由于剛剛推算出仙后座AZ將有一次交食，Cezary Galan（哥白尼大學，波蘭）建議業余愛好者們在2014年全年對其展開持續監測。Galan在他的網頁上寫道：“連續密集的測光觀測和光譜觀測是很必要的。對仙后座AZ的長時間尺度變化進行監測需要大量觀測者的參與，以降低天氣的影響，同時保證對交食過程中最重要階段的觀測成功。”截至2013年6月初，業余愛好者提交了總共250個光譜中的2/3。Galan說：“業余觀測者對這個活動的興趣之大，遠遠超過了我的預期。”
與此同時，Darryl Sergison（埃克塞特大學，英國）請求業余愛好者對低質量金牛座T型星進行光譜監測，以幫助天文學家更清晰地了解年輕類日恒星的周圍環境，并查明它們的各式各樣的盤、生長過程和外向流結構的特征。這項研究在今年秋天將會達到，但是對其中三個目標的監測從去年年底就已經開始了。
長期項目的最佳范例是國際Be型恒星觀測活動，它已經運行了超過10年。大約20%的B型星（此類恒星占肉眼可見恒星的20%）會顯示出氫發射線，有時還有氦和鐵的發射線，它們還會以數小時到數十年不等的時間尺度變化。天文學家們認為，這些發射線是由恒星快速旋轉時拋出的氣體外殼或盤造成的，它們在赤道處的離心力足以克服自身引力。但是光譜的變化卻讓人難以理解。因此，業余愛好者拍攝的光譜資料就至關重要了。天文學家們總共已經收集了約600顆Be型星的超過72000條光譜，其中有29000條（40%）僅僅出自于49位業余愛好者之手。這些數據被儲存在Be型恒星光譜數據庫中，由業余愛好者和專業天文學家共同維護，天文學家們在20多篇論文中使用了這些數據。
成為業余光譜學家
還有其它許多有趣的目標可供業余愛好者選擇，從新星、超新星到小行星和彗星。這些都可以得益于現在出現的廉價、現成的商品攝譜儀。而僅僅10年前，業余愛好者還沒有高分辨率光譜觀測所必需的儀器，除非他們自己制作。
業余愛好者希望獲得簡單而強大的儀器，以進行有科學意義的研究。受此激勵，法國業余愛好者Fran？ois Cochard、Olivier Thizy、Christian Buil和Yvon Rieugné專門為業余愛好者設計了一種商業級高分辨率攝譜儀，后來發展為Lhires品牌。現在，他們的Shelyak儀器公司可以提供各種價位、覆蓋所有分辨率的攝譜儀。歐洲南方天文臺的工程師Jesús Rodríguez、Carlos Guirao和Gerardo ávila，以及德國馬普地外物理研究所的專業天文學家Vadim Burwitz是歐洲的另一個攝譜儀來源。他們的“光譜發燒友俱樂部”與德國的Baader Planetarium公司合作，向業余愛好者提供攝譜儀。
但是硬件只是故事的一部分。怎樣才能知道，你是否有業余光譜學家所必備的技能呢？Eversberg說：“這種技能需要學習。”因此各種互聯網交流平臺是極其重要的，例如ARAS主持的網上論壇和新聞組，以及德國的Spektroskopie論壇等。在這些平臺上，光譜愛好者們可以交流觀測技術和設備的相關知識，策劃新的觀測活動，以及討論觀測結果。大多數討論都是用英語進行的，以便更多的人可以參與。
1文獻回顧與分析框架
1.1基于科學的產業概念的界定基于科學的產業有其一系列獨特的發展規律。如科學在該類產業發展中始終起著關鍵作用，是每一次產業根本性進步的發端；經歷長期的基礎科學研究的積淀，往往出現科學上的根本性突破，引發爆炸性的科研浪潮，形成平臺，支撐科學、技術、產業的快速發展；當產業的核心技術形成及核心產品結構定性后，技術往往與其他產業技術融合或向多個產業擴散。上述基于科學的產業中的技術進步現象用現有的六代創新模型都難以解釋。由于這六代模型形成時的商業環境和產業環境與現代有很大差異，導致其并沒有洞察這種新發展范式的特點。通過對六代創新模型的總結發現，后三代創新模型側重于關注創新的組織模式，前三代模型更多地關注創新的原始動力。然而由于20世紀50年代到80年代的經濟環境，學者們并沒有關注科學作為一種重要的創新原始動力對創新的獨特影響（如表1所示）。自20世紀70年代起，學者們開始專注這類基于科學的產業。Gibbons和Johnston首次提出了“基于科學的產業”這個概念，認為有一類產業，相對于其他產業，其技術創新明顯更加依賴于科學進步。Nelson和Winter在其《經濟演化理論》一書中對不同產業的技術創新進行了實證研究，提出了兩類技術體制，即“基于科學的技術體制”和“積累性的技術體制”。他們認為在前者產業中，技術創新的原始動力是產業發展的外生變量，如大學基礎科研的突破；而后者產業中，技術創新更多地依靠產業內部的技術積累。其他學者們也發現了這類產業的特性，并對其進行了研究。在總結上述學者研究的基礎上，本文將產業分為兩類：基于科學的產業：產業發展強烈地依賴于科學研究，產業的核心技術進步普遍地、一貫地、強烈地依賴于科學新發現。典型產業如生物化學、制藥業、有機化學、化妝品業等。基于技術的產業：產業發展對科學研究依賴性弱，該產業的技術進步主要表現為技術自身的演化，也就是由已有技術的突破、改進、組合、調整、變形而形成的新技術。典型產業如水利工程、道路橋梁建設、家具業、印刷業等。前人對上述兩類產業的特點進行了描述，在此基礎上分別將基于科學和基于技術的產業特點總結如下。基于科學的產業特點：（1）創新顯著地來源于科學研究成果。（2）創新源往往來自企業外部，多為公共研究部門。大學和研究所參與創新的程度很高，產學研是最典型的創新模式。產品和工藝等創新的本質是將科學新發現商業化。（3）企業與公共研究部門保持密切聯系來獲得外部知識成為創新成功的關鍵要素。（4）產業的技術創新機會豐富，科學上的進步創造了一系列的潛在產品。（5）R&D投入強度很高。（6）在這類產業—科學關聯中，往往是產業與其所基于的科學兩個領域發展都不成熟。例如生物醫藥業，該產業處于成長期，所基于的科學領域——生命科學、生物醫學也處于快速發展時期，不斷有新的研究發現[11]。基于技術的產業特點：（1）創新是技術本身的發展或工程活動的結果。（2）企業創新能力主要來源于組織內部積累性的學習過程。（3）創新成功的關鍵要素在于本企業的技術投入、技術積累以及對各種技術知識和能力要素的整合。（4）技術創新機會的增長相對穩定。（5）R&D投入強度相對較低。（6）在這類產業—科學關聯中，往往是產業處于成長期或成熟期，而相關的科學領域發展比較成熟。如公路、鐵路橋梁工程、船舶制造、機床制造等工程領域，對應的機械原理、工程學等相對成熟、穩定，在較長的時間內沒有突破性的新發展。
1.2基于科學的產業發展模式的分析框架經典的產業發展模式分析一般重點關注技術和市場（或產品、產業）兩個維度的演化問題。技術維度的分析主要涉及Dosi的技術范式和技術軌道理論，Christensen、Kim等人提出了技術成長曲線理論以及Galvin、Probert總結的技術路線圖工具。市場、產品、產業層面主要涉及Vernon的產品生命周期理論、Abernathy和Utterback的A-U模型以及Gort和klepper的產業生命周期理論。由于本文的研究對象——基于科學的產業其發展強烈地依賴于科學研究，產業的核心技術進步普遍地、一貫地、強烈地依賴于科學新發現，本文將科學作為一個維度來分析該類產業發展與科研的關系。同時，通過初步的數據分析，發現基于科學的產業存在普遍的產業融合現象，為了研究產業融合問題，本文將相關產業設為一個與科學、技術、產業平行的維度進行分析。
1.2.1分析的維度科學：重點關注重大的科研事件，剖析科研事件之間的聯系，如核心科學突破與科學進步之間的關系結構以及對技術發展的影響。技術：關注技術突破的典型事件，技術突破之間的關系，技術突破對科學的影響，以及技術突破對產業發展的影響，如技術興起對產業興起的影響，主導設計對產業發展的影響等。產業：關注早期市場需求的形成、早期產品的形成、何時開始產業化并出現專利、核心產品與衍生產品等典型產業發展事件。其他產業：關注相關產業技術對所研究的產業的影響，分析產業融合問題。
1.2.2關注的指標時間及順序：需要關注關鍵事件的發生時間及順序，例如技術、產業興起的時間節點，科研積淀、核心科學突破、主導設計確立、產業融合發生的時間區間，以及發生的先后次序。通過時間順序初步推斷事件間的因果關系。維度間的關系：關注4個維度的相互關系。在基于科學的產業這個分析背景下，在整個產業發展的系統中，重點關注科學與技術之間是什么關系，技術如何影響產業，產業間的融合又產生什么影響等。
2基于科學的產業發展案例
2.1研究方法與數據來源考慮到“基于科學的產業”這個研究課題尚未形成成熟的理論體系，本文選取心電圖產業和石墨烯產業進行探索性案例研究，通過歸納法進行理論構建。選取心電圖和石墨烯兩個產業的原因在于這兩個產業是典型的基于科學的產業，心電圖的發明和石墨烯的成功制備分別獲得了1924年諾貝爾醫學獎和2010年諾貝爾物理學獎，兩個產業的發展都持續地高度依賴于科學研究。本文通過對心電圖和石墨烯兩個案例的研究，探討基于科學的產業的發展模式。案例資料數據來源：（1）科學論文：主要涉及心電圖、石墨烯技術路徑方面的文獻。（2）圖書：關于心電圖、石墨發展史的圖書。（3）訪談：分別對北大醫學院心血管內科、劍橋大學工程系石墨烯中心的研究人員進行了訪談，收集了一手數據。心電圖領域的訪談主要涉及心電圖科研成果、技術、產品的關系以及在臨床上的應用等。劍橋大學工程系石墨烯中心在全球石墨烯研究處于領先地位，筆者對該中心的幾名研究人員進行了訪談，主要涉及石墨烯基礎科研發展之間的關系以及石墨烯的應用前景。
2.2心電圖產業案例概況本文梳理了心電圖領域科學、技術、產業以及相關產業4個層面在發展歷史上的重大事件，厘清了各個事件之間的邏輯關系，總結為表2，并根據表2總結了心電圖產業發展路徑（見圖1）。心電圖產業的發展可以分為早期基礎科研、心電圖興起和近現代心電圖產業發展三個時期。第一時期（17世紀—18世紀）：電的利用，電對生物體組織的影響的觀察以及生物電的發現。17世紀初，物理學家Gilbert、Browne等發現了靜電的存在，在此之后，各種靜電計不斷被發明出來。在靜電計的幫助下，18世紀中葉到19世紀中葉的一個世紀里，Bancroft、Walsh、Sowdon、Galvani、Kite、Nobili等學者陸續發現并驗證了生物電的存在，并通過解剖實驗發現了生物電與肌肉、神經和部分器官（特別是心臟）機能之間的聯系。第二時期（1800—1895）：為了檢測出心電，驗電設備不斷改進，機器靈敏度不斷提高。在19世紀一個世紀里，Oerste、Schweigger、Nobi-li、Thompson、Arsonval、Deprez等學者不斷推動著驗電設備的進步。1858年Thompson發明了鏡式電流計。1872年Lippmann發明了毛細管電位計。由于驗電設備越來越靈敏，新的心電現象得以觀察，很多猜想得到了驗證。1850年，Hoffa證明了電流會導致心顫。1856年Koelliker和Muller利用電流表證明了每一次心跳都伴隨著電流變化。1875年Caton制成了第一份有明確記載的心電圖記錄。1885年Einthoven首次從體表記錄到心電波形。1887年Waller通過毛細管靜電計記錄下歷史上第一個人類的心電圖，證明了人類心臟跳動伴隨著有規律的電流變化并提出“心電圖（electrocardiogram）”一詞。1890年Burch通過數學方法，將毛細管靜電計記錄的數據轉化為圖形。第三時期（1895至今）：第一個精確心電圖問世，心電圖逐漸產業化為一種醫療工具。1895年Einthoven利用改良后的靜電計和1890年Burch改良的數據—圖像算法，檢測到人類心電5種波形：P、Q、R、S和T，成為現代心電治療的基礎。1903年，Einthoven開始與劍橋科學儀器公司商討弧線電流計的商業化生產。1906年，通過心電圖儀（以弦線電流計為基礎）測度的正常和異常心電圖，Ein-thoven首次系統地論述了許多心電醫學現象如：左、右心房、心室肥厚時，U波，QRS波，室性早搏，室性二聯律，心房撲動和完全性心臟傳導阻滯等。自此，有了心電圖儀和通過5種波形表達的標準正常心電圖，形成了現代心臟醫療和設備創新的基本邏輯：醫學家們逐步形成某類心臟疾病的心電圖確診標準—測度心電圖—與正常心電圖對比發現某類波形的異常—心電干預儀器—臨床治療。遵循這種基本邏輯，20世紀初至今，左、右心房、心室肥厚時，U波、QRS波、室性早搏、室性二聯律、房顫、心絞痛、梗死、心動過速等越來越多的心臟疾病被發現并形成確診的心電圖標準。同時，心電圖儀在一個多世紀的時間里也越來越先進，并與其他電路技術、無線技術結合，如1978年晶體管應用于心電圖儀。另外，起搏器、除顫器等心電干預設備得以問世并不斷改良，越來越輕薄，并可植入人體。1924年，Einthoven因發現心電圖機制獲諾貝爾生理學或醫學獎。
2.3石墨烯產業案例概況與心電圖產業的分析類似，本文梳理了石墨烯領域科學、技術、產業以及相關產業4個層面在發展歷史上的重大事件，厘清了各個事件之間的邏輯關系，總結為表3，并根據表3總結了石墨烯產業發展路徑（見圖2）。與心電圖產業不同，石墨烯產業興起于2004年，發展時間短但產業化速度快，科學、技術、產業3個層次間的時滯不如心電圖產業那樣明顯。另外，由于材料產業本身的特點，石墨烯產業與其他相關產業的關聯十分密切。石墨烯產業的發展可以分為早期基礎科研、實驗室石墨烯制備、石墨烯產業化發展3個時期。第一時期（1859—2004）：石墨結構和性質的早期研究，及石墨薄片的分離方法探索。1859年，英國化學家Brodie發現了氧化石墨具有層狀結構。20世紀初，X射線晶體學創立以來，石墨薄片的研究開始興起，科學家們努力嘗試觀察并分離更薄的石墨薄片。另一方面，也有很多科學家認為石墨烯是不可能在常溫下存在的。1918年，Kohlschütter和Haenni通過粉末衍射法發現了石墨氧化物薄片（graphiteoxidepaper）的性質。1924年，通過單晶衍射法發現了石墨氧化物質的結構。1934年，Peierls提出準二維晶體材料由于其本身的熱力學不穩定性，在室溫環境下會迅速分解或拆解。關于石墨烯存在的可能性，科學界一直有爭論。1947年，Wallace率先開始研究石墨烯的性質，這是對石墨三維電子性質探索的開始。在這期間，Semenoff、DeVincenzo和Mele提出了無質量狄拉克方程，提出狄拉克點導致量子霍爾效應（石墨烯的特性之一是存在常溫量子霍爾效應）。隨著電子級顯微技術的發展以及分離萃取技術的發展，科學家們提取出的石墨薄片越來越薄。1948年，Ruess和Vogt發表了最早用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨（層數在3~10層之間的石墨）圖像。隨后，電子顯微鏡觀察到單層石墨。1966年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理論，證明不可能存在二維晶體材料。因此，作為二維晶體材料的石墨烯只是作為研究碳質材料的理論模型，一直未受到廣泛關注。然而對石墨薄片的研究熱情依然沒有減退，20世紀70年代，對單層碳原子石墨平面材料的關注超過了其他材料，這期間對石墨的研究主要依靠透射電子顯微鏡。1990年，開始嘗試微機械分離法制作石墨薄片，但到2004年前，薄度一直在50~100層以上。2002年，出現最早的石墨薄片生產技術專利，叫做“納米級石墨薄片”。這是最早的石墨薄片大規模生產的專利。第二時期（2004—2005）：成功分離單層碳原子石墨層，即石墨烯。2004年，Geim和Novoselov首次成功從石墨中分離出了單層碳原子石墨層，即石墨烯。由于上述提取技術，石墨烯的光、電、熱傳導、機械、生物化學、化學傳感等一系列優良性質得以直接觀察。2005年，Kim和Zhang證實了石墨烯的準粒子（quasiparti-cle）是無質量迪拉克費米子（diracfermion），引起一股研究石墨烯的熱潮。自此，眾多科學家投身于石墨烯的研究。第三時期（2005至今）：石墨烯的各種特性被發現，科學成果激發了許多技術創新，產業化迅猛發展。由于成功實現了石墨烯的制備，大大促進了科學研究的進度，石墨烯在光、電、熱傳導、機械、生物化學、化學傳感等多方面的多種優良特性在9年的時間里不斷被發現。如室溫量子霍爾效應、室溫高載流子遷移率、高光電轉換效率、石墨烯薄片與單層氦鍵合形成絕緣的石墨烷、超高等效熱導率和超低界面熱阻等。同時，在9年的時間里，石墨烯的制備方法也有了改善，從最初的昂貴且產量小的機械剝離法到SiC熱解外延生長法、氧化石墨還原法以及目前最常用的化學沉降法，成本不斷降低，產量不斷提升。科學領域，石墨烯的各種優良特性激發了一系列的技術創新，形成了石墨烯包裝材料、石墨烯單分子傳感器、石墨烯高頻電路、石墨烯鋰電池、石墨烯薄膜等。這些技術創新推動了海水淡化、DNA測序、飛機材料、包裝材料、醫用傳感器、電子產品、光通訊系統、防彈衣等領域的發展。Geim和Novoselov因成功制備石墨烯獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
3對案例的討論——基于科學的產業發展模式
3.1基于科學的產業中科學、技術、產業互動三角形基于科學的產業遵循積淀—突破—爆炸式增長的發展模式。圖3描述了這種發展模式中科學、技術、產業以及其他產業的互動關系以及技術興起、產業興起、產業融合的現有順序和科學重大突破、核心產品主導設計幾個重要節點形成的時間區間。產業發展中這種互動系統依次經歷技術的興起、產業的興起和與其他產業的融合幾個階段，形成了一個科學、技術、產業及其他產業的互動三角形。在科學的重大突破之前，有一個較長時間的科研積淀。在這個時期，技術和產業層面比較平靜。經過長期的科研積淀，科學研究產生重大突破，形成科學研究、技術創新、產業發展爆炸式的進步，并形成一個發展的平臺，支持相關的創新。科學的重大突破后產業開始逐漸形成。產業經過一定的發展形成核心產品的主導設計。而與其他產業的融合往往出現在核心產品的主導設計形成以后。在這個發展過程中，科學研究往往是每一項新進步的發端，是整個發展的原動力。上述科學研究的重大突破，根本性地提升了科學研究進步、技術創新、產業發展速率，使得整個領域的圖景發生根本性變化。例如人類心電5種波形的發現和標準的確定就是心電圖產業發展的一個“爆炸點”。人類將電療應用于臨床用了將近3個世紀的時間，而早搏，二聯律，房顫，心絞痛，梗死，心動過速等一系列心臟疾病的診斷和治療方法應用于臨床一共經歷了不到一個世紀的時間。總的來看，在爆炸點之前該領域科學、技術和產業的發展都相對平靜，而爆炸點之后，形成了三方面的變化：科學層面，基于人類心電標準波形和心電圖儀器的進步，上述很多心臟疾病得以研究。技術層面，心電標準的形成大大促進了心電圖儀的進步，同時發端于對各種疾病的科學研究，對應的起搏器、除顫器等設備應運而生。產業層面，各種儀器設備越來越便攜和便宜，產業化程度不斷提高。再如，石墨烯領域“爆炸點”以前的平靜和以后的活躍程度對比更加顯著。人類分離石墨烯的嘗試經歷了150年的時間，而之后石墨烯迅猛發展并滲透到各個領域僅僅用了10年的時間。在“爆炸點”之后，科學層面，石墨烯各個方面的性質研究速度增長迅速，新研究成果的公布需要按月衡量。這種速度的暴漲也是因為石墨烯的成功分離吸引了眾多其他相關領域的科學工作者進入該領域。技術層面，各類產品技術在10年的時間里迅速發展。產業層面，石墨烯向海水淡化、DNA測序、包裝運輸、通訊、電子等產業的滲透蓄勢待發。圖3說明的科研核心角色、核心與衍生創新的關系、與其他產業的融合以及科學與技術的Z字形互動關系將在下面中進行論述。這種互動三角形在心電圖產業中表現十分典型，但在石墨烯產業中表現不很明顯。主要是由于石墨烯產業興起僅僅十幾年的時間，整體的三角形互動模式還未完全顯現。
3.2科研在基于科學的產業發展中的角色本文發現在基于科學的產業發展中，科學研究自始至終處于核心地位。這種科研在產業發展中的核心角色并不能被經典產業演化理論所解釋。Ver-non將產品生命周期劃分為導入期、成熟期和標準化期3個階段。20世紀70年代，Abernathy和Utter-back提出了A-U模型，討論了產品創新和工藝創新的關系，并將產品的創新過程分為流動、過度和確定3個階段。Gort和Klepper提出了G-K模型，論述了產品的主導設計。他們按廠商數目對產品生命周期進行劃分，提出引入、大量進入、穩定、大量退出（淘汰）和成熟等5個階段。Phaal提出了產業發展的科學—技術—應用—市場（S-T-A-M）的轉化，認為產業發展的S曲線上，隨時間推移產業發展的核心遵循科學—技術—應用—市場的轉化路徑。Christensen、Kim等人提出了技術成長曲線，認為技術的發展遵循S型路徑成長。Dos（i1982）等學者提出了技術范式和技術軌道的概念。上述理論的一個共同特點是認為在產業發展初期科學研究極其活躍，引領產業的發展，隨后科學研發頻率和規模下降，引領產業發展的核心要素向技術因素、工藝因素和市場因素轉移。然而上述產業演化及創新理論都未能解釋本文發現的這一現象，即在某些產業領域，科學自始至終處于核心和引領地位。例如心電圖產業的發展過程中，科學研究一直是產業發展的原始動力，是每一次進步的發端。第一時期基礎科學的進步階段，觀察電對生物體組織的影響以及發現生物電，特別是心電成為心電圖產業發展的基礎。正是這些基礎科學的積淀，逐漸催生了心電圖產業。這一階段科學原理的發現也推動了技術層面各種驗電設備的早期發展。第二時期心電圖產業開始形成的直接原因在于實驗室首次成功繪制了人類心電圖。由于前一時期對生物電的長期科研積淀，人們對生物電有了充分的了解并認可臨床的電療方法，實驗室心電圖的成功發現使人們看到了它的臨床價值。因為之前對心臟的電療處于“誤打誤撞”碰運氣的狀態，并沒有原理上的指導，電療使病情加重甚至使病人加速死亡的現象十分常見。心電圖的出現無疑成為了電療的“眼睛”，從此電療結束了誤打誤撞的發展階段。實驗室心電圖的發現很快促成了產業化生產。到了第三時期，心電圖產業的幾乎所有發展都來源于Einthoven發現的人類心電的5種波形。這5種波形至今依然是心臟疾病診療的基礎。即自從人類心臟正常波形發現后，所有的產業發展都遵循這樣的模式。心臟異常臨床表現、發現心電圖與標準心電圖的差異、研究干預原理和方法、干預儀器的發明及生產制造、二聯律、心肌梗塞、心絞痛等心臟疾病的診斷和治療都是以人類心電5種波形為基礎的。再如石墨烯產業的發展，在最初的基礎科學進步階段，發現石墨的層狀結構、觀察并分離石墨薄片成為石墨烯成功提取的基礎。第二階段，實驗室成功分離出單原子層石墨薄片，即石墨烯，成為該產業興起的直接原因。第三階段，由于之前對石墨烯的研究處于“猜想”階段，進展緩慢。實驗室中成功提取了石墨烯，使得它成為研究者能夠拿在手中的“實實在在”的研究對象，對石墨烯的研究發展速度迅速提升。對石墨烯光、電、熱、機械、化學傳感等一系列優良性質的研究都來源于實驗室的石墨烯提取技術。在這一階段，產業開始形成，但精密光學儀器、石墨烯薄膜、包裝材料、納米器件、光感材料、電路器件等一系列石墨烯相關技術發展以及在醫療器械、光通訊、電子產品、武器、包裝等領域的產業發展都基于科學層面實驗室中對石墨烯各種性質的發現和原理的研究。
3.3基于科學的產業中的核心創新與衍生創新基于科學的產業中，核心的科學突破形成核心產品，而一系列周邊的技術進步會形成產品系列。例如，核心的心電驗電技術和人類5種波形的標準確立形成了該產業的核心產品心電圖儀，用于各種心臟疾病的診斷。基于相同的心電基本原理，形成了心臟起搏器，通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖，刺激心臟跳動；形成了心臟除顫器，通過較強電脈沖恢復竇性心律，治療心律不齊；形成了可以24小時監護的便攜心電圖儀等儀器。石墨烯產業也有類似的現象。由于科學上石墨烯分離技術實現了石墨烯材料的制備。這個核心產品形成了用于海水淡化的石墨烯薄膜、用于DNA測序的石墨烯薄膜，形成了用于包裝、防彈衣、飛機材料等表面材料，形成了用于各種電路的電路材料等。
3.4基于科學的產業領域的產業融合產業發展到一定階段可能產生產業融合。上述兩個產業在發展到一定階段都出現了產業融合。對于心電圖產業，當科學領域形成標準、核心技術成熟，產業層面出現主導設計之后，發生了3次與其他產業的融合，根本性地提高了心電圖儀的性能。第一次融合發生在20世紀30年代，電子管應用于心電圖，取代了龐大易壞的弦線式電流計心電圖。第二次融合發生在20世紀50年代到80年代，晶體管取代了電子管，將靜態心電圖拓展為動態心電圖，發展了三維向量心電圖，性能提高的同時，心電圖儀的體積大大減小了。第三次融合發生在20世紀80年代，大規模的專用集成電路和計算機芯片應用于心電圖，同時CPU和軟件支持使得心電圖智能程度大大提高，實現了12導聯同步描計，能對心電波形數據進行存儲、回放、編輯、打印和傳輸。另外，無線技術也應用于心電圖儀，1999年心電圖實現了與無線技術結合，有助于組織專家會診。2005年，丹麥心臟病專家通過無線技術把心電圖數據從救護車傳送到醫生的電腦上，節省了搶救時間。而石墨烯作為材料領域的創新與其他產業的融合體現了材料領域的特性，能夠快速向多領域滲透。石墨烯本身也存在很多其他材料沒有的特別之處，在光、電、熱、化學傳感、生物、機械等幾個方面都有優良特性，導致石墨烯材料在醫學儀器、過濾膜、包裝材料、電路、武器、光通訊、飛行材料、電池等很多領域都得到了應用。
3.5科學與技術的“Z”字形互動基于科學的產業中，本文還發現了科學與技術的“Z”字形互動關系。即科學研究明確原理促進了技術的發展，同時，科學的進一步發展需要技術上的支持，形成了技術需求。技術的發展進一步支持和推動了科學的發展。例如在心電圖領域，各種驗電設備的基本原理來源于對電的研究。同時，為觀測生物電，科學對技術的需求催生了無定向電流表的發明，使得生物電得以觀察。為了觀測心電，需要更精確的驗電設備，產生了新的技術需求，推動了毛細靜電計的發明，使得心電得以觀測。為了繪制心電圖，需要進一步增加驗電精度，于是發明了弧線電流計，成功繪制了心電圖。科學與技術遵循的上述關系，如果以時間作為橫軸，發現科學與技術的關系箭頭形成了一系列的“Z”字。石墨烯產業也有類似的現象。實驗室首次成功分離石墨烯為石墨烯的制備提供了理論依據，但物理剝離法無法應用于大規模制備。于是在技術層面出現了SiC熱解外延生長法、氧化石墨還原法及目前最常用的化學沉降法，為科學研究提供了更多的材料。
