ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №8

УДК: УДК 537.874; 537.624

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ВТОРИЧНОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ
ДЛЯ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ ГРАФЕНОСОДЕРЖАЩЕГО ШУНГИТА
ПО ДАННЫМ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

И.В.Антонец¹, В.А.Устюгов¹, В.И.Щеглов²

¹ Сыктывкарский государственный университет им. П. Сорокина,
167001 Сыктывкар, Октябрьский просп., 55

²Институт радиотехники и электроники РАН им. В.А.Котельникова,
125009 Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7

Статья поступила в редакцию 13 мая 2025 г.

Аннотация. Предложено применение метода вторичной дискретизации для анализа структуры графеносодержащего шунгита по картам распределения углерода в образцах шунгита, снимаемым методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. Для анализа степени однородности карт использовался метод первичной структурной дискретизации по трем уровням, для чего карта разбивалась на ячейки с помощью наложения сетки с квадратными ячейками. Определение степени порядка проводилось ручным
и машинным методами, после чего выполнялось сравнение получаемых результатов. Предложена схема иерархии степеней порядка. Выделены пять степеней порядка. Предложено определение «порядка соседства», характеризующее степень изменения однородности структуры на границе между соседствующими ячейками. Предложена схема вычисления порядка соседства по строке карты с последующим суммированием по всей карте в целом. Предложена процедура вторичной дискретизации карты, состоящая в наложении на первично дискретизированную карту новой сетки, включающей в себя целое число первичных ячеек. Выполнена вторичная дискретизация первого уровня, в результате которой полная карта была разбита на четыре частичных карты. На основе обработки частичных карт показано, что порядок соседства при ручной обработке превышает порядок соседства при машинной обработке в 1.3 раза. По величине отклонения порядка соседства по каждой из частичных карт от среднего значения введен в рассмотрение параметр однородности карты в целом. Выявлена анизотропия порядка соседства, состоящая в различии значений порядка по строкам и по столбцам той же карты. Введен в рассмотрение параметр анизотропии, определяемый разностью между единицей и отношением порядков соседства по строкам и по столбцам. Введен в рассмотрение параметр однородности карты, состоящий в выраженной в процентах величине отклонения параметра анизотропии от среднего значения по карте в целом. Установлено, что параметр анизотропии по сравнению с параметром порядка соседства дает более чувствительный инструмент для определения однородности карты в целом. С использованием той же методики, что для каждой частичной карты, рассмотрен порядок соседства по полной карте. Установлено, что порядок соседства при ручной обработке превышает подобную величину при машинной обработке в 1.33 раза с точностью 0.8 %, что согласуется с аналогичным результатом, полученным при рассмотрении частичных карт. Рассмотрена анизотропия порядка соседства по полной карте. Показано, что применение машинной обработки по сравнению с ручной обеспечивает более точные результаты. Приведены некоторые рекомендации для возможного развития работы, в том числе вариация параметров ячеек первичной и вторичной дискретизации, выявление причины и механизма превышения порядка соседства при ручной обработке над таким же порядком при машинной обработке, исследование степени однородности по нескольким картам одного образца, а также по нескольким образцам из различных месторождений с последующим сопоставлением с электрической проводимостью образцов.

Ключевые слова: графеносодержащий шунгит, растровая электронная микроскопия, энтропия по Шеннону.

Финансирование: Исследование выполнено в рамках госзадания ФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина» № 075-03-2024-162 по теме «Влияние структуры на статические и динамические электропроводящие свойства разупорядоченного углерода», а также в рамках государственного задания Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Автор для переписки: Щеглов Владимир Игнатьевич, vshcheg@cplire.ru

Литература

1. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (ред.). Шунгиты – новое углеродистое сырье. Петрозаводск: Карелия. 1984.

2. Melezhik V.A., Filippov M.M., Romashkin A.E. A giant paleoproterozoic deposit of shungite in NW Russia. // Ore Geology Reviews. 2004. V.24. P.135-154.

3. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. // Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323-332.

4. Ковалевский В.В. Структура углеродного вещества и генезис шунгитовых пород. // Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Петрозаводск. 2007.

5. Мошников И.А., Ковалевский В.В., Лазарева Т.Н., Петров А.В. Использование шунгитовых пород в создании радиоэкранирующих композиционных материалов. // Материалы совещания «Геодинамика, магматизм, седиментогенез и минерагения северо-запада России. Петрозаводск: Институт геологии КарНЦ РАН. 2007. С.272-274.

6. Лыньков Л.М., Махмуд М.Ш., Криштопова Е.А. Экраны электромагнитного излучения на основе порошкообразного шунгита. // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С. Фундаментальные науки. Новополоцк: ПГУ. 2012. №4. С.103-108.

7. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. // ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44-48.

8. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Микроволновые и оптические свойства многофункциональных экранов электромагнитного излучения на основе порошкообразного шунгита. // Сборник трудов. 4-й международной конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов». Беларусь. Минск. 2009. С.23-25.

9. Emelyanov S.G., Kuzmenko A.P., Rodionov V.V., Dobromyslov M.B. Mechanisms of microwave absorption in carbon compounds from shungite. // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2013. V.5. №4. P.04023-1 04023-3.

10. Kuzmenko A.P., Rodionov V.V., Emelyanov S.G., Chervyakov L.M., Dobromyslov M.B. Microwave properties of carbon nanotubes grown by pyrolysis of ethanol on nickel catalyst. // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2014. V.6. №3. P.03037-1 03037-2.

11. Бойправ О.В., Айад Х.А.Э., Лыньков Л.М. Радиоэкранирующие свойства никельсодержащего активированного угля. // ПЖТФ. 2019. Т.45. №12. С.52-54. https://doi.org/10.21883/PJTF.2019.12.47921.17225

12. Савенков Г.Г., Морозов В.А., Украинцева Т.В., Кац В.М., Зегря Г.Г., Илюшин М.А. Влияние добавок шунгита на электрический пробой перхлората аммония. // ПЖТФ. 2019. Т.45. №19. С.44-46. https://doi.org/10.21883/PJTF.2019.19.48318.17847

13. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ-свойств шунгитов. Сыктывкар: Изд.СыктГУ. 2017.

14. Golubev Ye.A., Antonets I.V., Shcheglov V.I. Static and dynamic conductivity of nanostructured carbonaceous shungite geomaterials. // Materials Chemistry and Physics. 2019. V. 226. №3. P.195-203.

15. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость графеносодержащего шунгита в диапазоне сверхвысоких частот. // ПЖТФ. 2018. Т.44. №9. С.12-18https://doi.org/10.21883/PJTF.2018.09.46060.16883

16. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Исследование проводимости графеносодержащего шунгита волноводным методом. // Сборник трудов Международного симпозиума «Перспективные материалы и технологи». Витебск: Беларусь. 2017. С.6-9.

17. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость графеносодержащего шунгита в диапазоне сверхвысоких частот. // Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». М.: НИУ МЭИ. 2017. С.135-147.

18. Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. Электронный транспорт в графене. // УФН. 2008. Т.178. №7. С.776-780. https://doi.org/10.3367/UFNr.01788.2000807i8.0776

19. Hill E.W., Geim A.K., Novoselov K., Schedin F., Blake P. Graphene spin valve devices. // IEEE Trans. Magn. 2006. V.42. №10. P.2694-2696.

20. Castro Neto A.H., Guinea F., Peres N.M.R., Novoselov K.S., Geim A.K. The electronic properties of graphene. Rev.Mod.Phys. 2009. V.81. №1. P.109-162(54).

21. Шека Е.Ф., Голубев Е.А. О техническом графене – восстановленном оксиде графена – и его природном аналоге – шунгите. // ЖТФ. 2016. Т.86. №7. С.74-80.

22. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Представление удельной проводимости графеносодержащего шунгита на основе модели трубок тока. // Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2020. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.3.7

23. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода блочной дискретизации для анализа электрической проводимости графеносодержащего шунгита. // Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2021. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.3

24. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Определение электрической проводимости графеносодержащего шунгита с использованием высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. // Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2021. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.9

25. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода декомпозиции для расчета проводимости шунгита на основе электронно-микроскопических карт распределения углерода. // Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2021. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.13

26. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода независимых каналов для определения электрической проводимости графеносодержащего шунгита. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.6

27. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние структуры углеродной составляющей графеносодержащего шунгита на его электрическую проводимость. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.8.18

28. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И.Применение метода тринарной дискретизации для анализа структурного распределения углерода в графеносодержащем шунгите. Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2023. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.17.

29. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Исследование структурных и электрических свойств графеносодержащего шунгита по данным электросиловой спектроскопии. Часть 1. Концентрация углерода. // Электронный «Журнал радиоэлектроники», 2018. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.8.5

30. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Исследование структурных и электрических свойств графеносодержащего шунгита по данным электросиловой спектроскопии. Часть 2. Дискретность структуры. // Электронный «Журнал радиоэлектроники», 2018. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.8.6

31. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Исследование структурных и электрических свойств графеносодержащего шунгита по данным электросиловой спектроскопии. Часть 3. Удельная проводимость. // Электронный «Журнал радиоэлектроники», 2018. №9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.9.1

32. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода трехуровневой дискретизации для анализа связи между структурой и удельной проводимостью графеносодержащего шунгита. Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2023. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.18

33. Antonets I.V., Golubev Ye.A., Shcheglov V.I. The effect of structure on the conductivity of disordered carbon (the case of graphene-containing shungite). // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2023. V.31. №10. P.961-970. https://doi.org/10.1080/1536383X.2023.2226273

34. Antonets I.V., Golubev Ye.A., Shcheglov V.I. Application of the trinary discretization method for the structural analysis of natural disordered sp2 carbon. // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2024. V.32. №3. P.246-253. https://doi.org/10.1080/1536383X.2023.2273416

35. Антонец И.В., Устюгов В.А., Щеглов В.И. Алгоритмизация исследования структуры графеносодержащего шунгита по данным растровой электронной микроскопии. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.7.13

Для цитирования:

Антонец И.В., Устюгов В.А., Щеглов В.И. Применение метода вторичной дискретизации для анализа структуры графеносодержащего шунгита по данным растровой электронной микроскопии. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.8.10