ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №7

УДК: 537.874; 537.624

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ
ГРАФЕНОСОДЕРЖАЩЕГО ШУНГИТА ПО ДАННЫМ
РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

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

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

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

Статья поступила в редакцию 15 апреля 2025 г.

Аннотация. Приведен краткий обзор общих характеристик графеносодержащего высокоуглеродистого шунгита как материала для создания экранов для электромагнитного излучения. Отмечено, что проводящие свойства, определяющие экранирующую способность, в значительной степени зависят от структуры и распределения графеновых слоев внутри материала. В качестве важнейшего инструмента, позволяющего исследовать структуру шунгита на наноуровне отмечена растровая электронная микроскопия. Выполнено рассмотрение полученных этим методом карт распределения углерода с помощью структурной дискретизации по трем уровням. Отмечены три градации однородности в пределах одной ячейки дискретизации: высокая, когда слои графена почти непрерывны, средняя, когда слои графена имеют разрывный характер, низкая, когда четко выраженные слои графена отсутствуют. Исследование проведено двумя методами – ручным и машинным. Описана методика ручной обработки с помощью подвижной маски, последовательно проходящей по ячейкам карты. Описана методика машинной обработки, состоящей в измерении энтропии по Шеннону для каждой ячейки по отдельности. Выполнен6о сравнение результатов ручной обработки с машинной. Установлено, что в общем совпадение между методами составляет 67%, а отсутствие совпадений – 33%. При этом наилучшее совпадение имеет место по средней степени упорядоченности (26%), что заметно выше, чем совпадение по высокой (17%) и низкой (23%) степеням упорядоченности. На основе полученных результатов был сделан вывод о высокой степени эффективности замены ручной обработки машинной. Приведены рекомендации для дальнейшего развития работы.

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. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск: Карелия. 1956.

4. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН. 2002.

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

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

7. Родионов В.В. Механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродсодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Курск. 2014.

8. 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.

9. 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.

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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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/10.219883/PJTF.2019.12.47921.17225

16. 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

17. 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.

18. 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. https://doi.org/10.21883/PJTF.2018.09.46060.16883

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.01788.2000807i.0776

23. 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.

24. 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.

25. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза: Изд. ПГУ. 2018.

26. 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).

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

28. 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.

29. 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.

30. Гоулдстейн Д., Яковиц Х. (ред.). Практическая растровая электронная микроскопия. М.: Наука. 1978.

31. Стоянов П.А. Электронный микроскоп. // Физическая энциклопедия. Т5. М.: Большая Российская энциклопедия. 1998. Стр.574-578.

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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.

36. 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.

37. 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.

38. 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.

39. 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.

40. 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

41. 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.

42. 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

43. 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.

44. 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.

45. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука. 1964.

46. Левич В.Г. Курс теоретической физики. Т.1. М.: Наука. 1969.

Для цитирования:

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