ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 7
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.6
УДК 537.874; 537.624
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА НЕЗАВИСИМЫХ КАНАЛОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ГРАФЕНОСОДЕРЖАЩЕГО ШУНГИТА
И. В. Антонец 1, Е. А. Голубев 2, В. Г. Шавров 3, В. И. Щеглов 3
1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, 167001, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, 55
2 Институт геологии Коми НЦ Уро РАН, 167982, Сыктывкар, ул. Первомайская, 54
3 Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, 125009, Москва, ул. Моховая, 11-7
Статья поступила в редакцию 6 июля 2021 г.
Аннотация. Предложен и реализован на практике метод независимых каналов, предназначенный для расчета удельной электрической проводимости графеносодержащего шунгита. Отмечено, что важнейшей областью применения шунгита является создание экранов большой площади, надежно экранирующих электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Важнейшим фактором, определяющим экранирующие свойства шунгита, является удельная проводимость его углеродной составляющей, определяемая пространственным распределением атомов углерода. В качестве главного метода исследования структуры углерода отмечена высокоразрешающая растровая электронная микроскопия, позволяющая с поверхности образца снять карту распределения слоев графена и графеновых пачек. Пространственным фактором, определяющим проводимость шунгита является сильная анизотропия проводимости единичного слоя графена, достигающая трех порядков и более вдоль и попрек слоя. Предложенный метод независимых каналов учитывает произвольную ориентацию графеновых пачек относительно направления протекания тока. В качестве основы метода используется карта пространственного распределения углерода, полученная методом растровой электронной микроскопии. Карта разбивается на параллельные каналы, поперечный размер которых выбирается близким или несколько превышающим типичный поперечник графеновой пачки. Каналы разбиваются на квадратные блоки, стороны которых равны ширине канала. Полное сопротивление канала формируется последовательным соединением отдельных сопротивлений блоков. Сопротивление всей карты определяется параллельным соединением каналов или усреднением сопротивлений всех каналов с последующим заполнением всей площади карты. Первым шагом обработки является выделение преимущественной ориентации слоев внутри каждого блока. На основании полученной ориентации блок заполняется периодической структурой, период которой равен ширине слоя графена и соседствующего с ним промежутка. В качестве параметра, определяющего ориентацию, используется угол между преимущественным направлением слоев графена и осью протекания тока между контактами. В силу симметрии задачи относительно направления тока, предельными значениями угла являются 0 и 90 градусов. Выявлены два принципиально различных случая ориентации: первый, когда определяющий угол меньше 45 градусов и второй, когда это угол больше 45 градусов. В первом случае ток идет вдоль полос с высокой проводимостью, во втором – поперек этих полос, то есть через полосы с низкой проводимостью. Получена плавная зависимость сопротивления блока от угла ориентации полос. Для характеристики площади, занимаемой слоями графена, введен коэффициент заполнения блока, определяемый методом бинарной дискретизации. На основе анализа ориентации полос и коэффициентов заполнения рассчитаны сопротивления отдельных блоков. Получены сопротивления всех каналов рассматриваемой карты. С использованием двух методов – параллельного соединения каналов и усреднения по всем каналам, рассчитано удельное сопротивление и удельная проводимость материала в целом. Установлено, что полученные значения удельной проводимости превышают измеренное в эксперименте интегральное значение проводимости в несколько (до десяти) раз. Для согласования расчетного значения с экспериментальным выполнена вариация удельных сопротивлений слоев графена и промежутков между ними. Отмечено, что расчет по методу параллельного соединения каналов обеспечивает несколько лучшее согласие, чем метод усреднения. Показано, что соответствие улучшается в первую очередь при увеличении сопротивления промежутка между слоями. В качестве возможной причины решающей роли промежутка предложена наблюдаемая в эксперименте резкая неоднородность относительного расположения слоев графена. Обсуждены возможные пути дальнейшего развития работы. В качестве важнейшей задачи отмечена более подробная разработка статистического характера получаемых результатов
Ключевые слова: углерод, шунгит, электрическая проводимость.
Abstract. The independent channel method which is intended for the calculation of specific electrical conductivity of graphene-contained shungite is proposed and realized on practice. It is noted that the most important of shungite application is the creation of screen hawing large area which are able to block electromagnetic radiation in wide frequency range. The most important factor which determines the blocking properties of shungite is the specific electrical conductivity of its carbon part which is determined by the spatial distribution of carbon atoms. As a main method of carbon structure investigation is mentioned the high-resolution raster electron microscopy which allows from the surface of specimen to receive the card of distribution of graphene slides and graphene packets. The spatial factor which determines the shungite conductivity is large anisotropy of single graphene slide which reaches three orders and more in the cases along and across the slide. The proposed method independent channels takes into consideration the arbitrary orientation of graphene packets relatively to direction of current flow. As a basis of method is employing the card of carbon spatial distribution which is received by raster electron microscopy method. The card is divided by parallel channels which transverse dimension is near or slightly exceeds the typical dimension of graphene packet. The channels are divided to square blocks which sides are equal to width of channel. The whole resistance of channel is formed by the successive connection of individual resistances of blocks. The resistance of whole card is determined by parallel connection of channels or averaging of resistance of all channels and following filling the whole area of card. The first step of analysis is the determination of advantage orientation of slides inside of every blocks. On the basis of determined orientation the block is filled by periodic structure which period is equal to the width of graphene slide and neighbouring interval. As a parameter which determines the orientation is used the angle between advantage orientation of graphene slides and axis of current flow between contacts. Owing to symmetry of task in comparison of current direction the limited meanings of corner is 0 and 90 degree. It is established two principal different cases of orientation: first – when determining angle is less than 45 degree and second when this angle is more than 45 degree. In the first case the current flows along the stripe with large conductivity. In the second case the current flows across these stripes so as through the stripes with low conductivity. It is found the smooth dependence of block resistivity from the angle of strip orientation. For the characteristic of area which is filled graphene slides it is proposed the coefficient of filling which is determined by binary discretization method. On the basis of analysis of slides orientation and filling coefficients are calculated the resistance of individual blocks. The resistances of all channels of investigated card are proposed. By using two methods – parallel connection and averaging over all channels it is calculated the specific electrical resistance and specific electrical conductivity of material as a whole. It is found that the received values of specific conductivity exceed the determined in experiment value in several (to 10) times. For the coordination of calculated value with experimental value it is made the variation of specific resistances of graphene slides and intervals between its. It id found that the calculation by method of parallel connection of channels ensures several better coordination than method of averaging. It is shown that the resistance is improved in the first turn by the increasing the resistance of interval between slides. In the quality of possible reason of decisive role of interval it is proposed the observed in experiment sharp non-homogeneity of relative arrangement of graphene slides. It is discussed the possible courses of further development of work. As a most important task it is proposed the more circumstantial determination of statistical character of received results.
Key words: carbon, shungite, electro-conductivity.
Литература
1. Луцев Л.В., Николайчук Г.А., Петров В.В., Яковлев С.В. Многоцелевые радиопоглощающие материалы на основе магнитных наноструктур: получение, свойства и применение. Нанотехника. 2008. No.10. С.37-43.
2. Казанцева Н.Е., Рывкина Н.Г., Чмутин И.А. Перспективные материалы для поглотителей электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона. Радиотехника и электроника. 2003. Т.48. №2. С.196-209.
3. Островский О.С., Одаренко Е.Н., Шматько А.А. Защитные экраны и поглотители электромагнитных волн. Физическая инженерия поверхности. 2003. Т.1. №2. С.161-172.
4. Антонов А.С., Панина Л.В., Сарычев А.К. Высокочастотная магнитная проницаемость композитных материалов, содержащих карбонильное железо. ЖТФ. 1989. Т.59. №6. С.88-94.
5. Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов. Москва, УРСС. 2001.
6. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот. ЖТФ. 2013. Т.83. №1. С.3-28.
7. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Phys. Rev. Lett. 2000. Vol.84. No.18. P.4184-4187.
8. Pendry J.B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys. Rev. Lett. 2000. Vol.85. No.18. P.3966-3969.
9. Халиуллин Д.Я. Электродинамические свойства тонких бианизотропных слоев. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург. 1998.
10. Oksanen M.I., Tretyakov S.A., Lindell I.V. Vector circuit theory for isotropic and chiral slabs. J. of Electromagnetic Waves and Applications. 1990. Vol.4. No.7. P.613-643.
11. Халиуллин Д.Я., Третьяков С.А. Обобщенные граничные условия импедансного типа для тонких плоских слоев различных сред (обзор). РЭ. 1998. Т.43. №1. С.16-29.
12. Oksanen M.I., Hanninen J., Tretyakov S.A. Vector circuit method for calculating reflection and transmission of electromagnetic waves in multilayered chiral structures. IEEE Proceedings. H. 1991. Vol.138. No.7. P.513-520.
13. Третьяков С.А. Электродинамика сложных сред: киральные, биизотропные и некоторые бианизотропные материалы (обзор). РЭ. 1994. Т.39. №10. С.1457-1470.
14. Дмитриев А.В. Научные основы разработки способов снижения удельного электрического сопротивления графитированных электродов. Челябинск: Изд.ЧГПУ. 2005.
15. Родионов В.В. Механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродсодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Курск. 2014.
16. 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.
17. 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.
18. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44-48.
19. 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.
20. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск, Карелия. 1956.
21. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск, Карельский НЦ РАН. 2002.
22. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (ред.). Шунгиты – новое углеродистое сырье. Петрозаводск, Карелия. 1984.
23. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323-332..
24. Melezhik V.A., Filippov M.M., Romashkin A.E. A giant paleoproterozoic deposit of shungite in NW Russia. Ore Geology Reviews. 2004. Vol.24. P.135-154.
25. 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. Vol.5. No.4. P.04023-1 04023-3.
26. Кузьменко А.П., Родионов В.В., Харсеев В.А. Гиперфуллереновые углеродные нанообразования как порошковый наполнитель для поглощения СВЧ-излучения. Нанотехника. 2013. №4. Выпуск 36. С.35-36.
27. 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. Vol.6. No.3. P.03037-1 03037-2.
28. Бойправ О.В., Айад Х.А.Э., Лыньков Л.М. Радиоэкранирующие свойства никельсодержащего активированного угля. ПЖТФ. 2019. Т.45. №12. С.52-54.
29. 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.
30. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ-свойств шунгитов. Сыктывкар, Изд. СыктГУ. 2017.
31. Golubev Ye.A., Antonets I.V., Shcheglov V.I. Static and dynamic conductivity of nanostructured carbonaceous shungite geomaterials. Materials Chemistry and Physics. 2019. Vol.226. No.3. P.195-203.
32. 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.12-18.
33. 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.
34. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость графеносодержащего шунгита в диапазоне сверхвысоких частот. Сборник трудов конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Институт физики Дагестанского научного центра РАН. Махачкала. 2017. С.432-436.
35. 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». Москва, НИУ МЭИ. 2017. С.135-147.
36. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние подложки на отражающие и пропускающие свойства двухслойной проводящей структуры. Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва, НИУ МЭИ. 2017. С.166-182.
37. Ковалевский В.В. Структура углеродного вещества и генезис шунгитовых пород. Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Петрозаводск. 2007.
38. 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.
39. Голубев Е.А., Уляшев В.В., Велигжанин А.А. Пористость и структурные параметры шунгитов Карелии по данным малоуглового рассеяния синхротронного излучения и микроскопии. Кристаллография. 2016. Т.61. №1. С.74-85.
40. Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. Электронный транспорт в графене. УФН. 2008. Т.178. №7. С.776-780.
41. Hill E.W., Geim A.K., Novoselov K., Schedin F., Blake P. Graphene spin valve devices. IEEE Trans. Magn. 2006. Vol.42. No.10. P.2694-2696.
42. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние структурных параметров шунгита на его электропроводящие свойства. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may17/11/text.pdf.
43. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Модельное представление микроструктуры, проводимости и СВЧ свойств графеносодержащего шунгита. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep17/8/text.pdf.
44. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Модельное представление микроструктуры шунгита в связи с его электропроводящими свойствами. Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва, НИУ МЭИ. 2017. С.148-165.
45. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение модели двухкомпонентной среды для оценки электрической проводимости шунгита. Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва, НИУ МЭИ. 2017. С.183-193.
46. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение электросиловой спектроскопии для геометрического моделирования структуры шунгита. Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва, НИУ МЭИ. 2017. С.194-206.
47. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Исследование структурных свойств графеносодержащего шунгита по данным рентгеноспектрального элементного анализа. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. №4. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/apr19/1/text.pdf.
48. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение гармонического анализа данных рентгеновской спектроскопии для изучения структуры графеносодержащего шунгита. Сборник трудов XXVII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». Москва, НИУ МЭИ. 2019. С.227-237.
49. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Дискретная модель интегральной проводимости графеносодержащего шунгита. Сборник трудов XXVII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». Москва, НИУ МЭИ. 2019. С.238-245.
50. Макеева Г.С., Голованов О.С., Ринкевич А.Б. Вероятностная модель и электродинамический анализ резонансного взаимодействия электромагнитных волн с 3D-магнитными нанокомпозитами. РЭ. 2014. Т.59. №2. С.152-158.
51. Голованов О.А., Макеева Г.С., Ринкевич А.Б. Взаимодействие электромагнитных волн с периодическими решетками микро- и нанолент графена в терагерцовом диапазоне. ЖТФ. 2016. Т.86. №2. С.119-126.
52. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза, Изд. ПГУ. 2018.
53. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Структурные и электрические свойства графеносодержащего шунгита на основе анализа карт проводимости. Сборник трудов XXVI Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». Москва, ИНФРА-М. 2018. С.293-302.
54. 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. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №8. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/aug18/5/text.pdf.
55. 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. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №8. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/aug18/6/text.pdf.
56. 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. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep18/1/text.pdf.
57. Гоулдстейн Д., Яковиц Х. (ред.). Практическая растровая электронная микроскопия. Москва, Наука. 1978.
58. Стоянов П.А. Электронный микроскоп. Физическая энциклопедия. Т5. Москва, Большая Российская энциклопедия. 1998. Стр.574-578.
59. Березкин В.И. Формирование, строение, свойства замкнутых частиц углерода и структур на их основе. Диссертация на соискание ученой степени д.ф.-м.н. Великий Новгород. 2009.
60. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Представление удельной проводимости графеносодержащего шунгита на основе модели трубок тока. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №3. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/mar20/7/text.pdf.
61. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение модели трубок тока для определения параметров графеносодержащего шунгита на наноуровне. // Сборник трудов XXVIII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». М.: НИУ МЭИ. 2020. С.175-185.
62. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода блочной дискретизации для анализа электрической проводимости графеносодержащего шунгита. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.3
63. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Определение электрической проводимости графеносодержащего шунгита с использованием высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.9
64. 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. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.13
Для цитирования:
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.