ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 3
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.13
УДК 537.874; 537.624
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ДЕКОМПОЗИЦИИ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОВОДИМОСТИ ШУНГИТА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИХ КАРТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДА
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 19 марта 2021 г.
Аннотация. Отмечена перспективность использования шунгита для создания покрытий большой площади, экранирующих электромагнитное излучение. В качестве главного параметра, определяющего эффективность создаваемых экранов, отмечена удельная проводимость шунгитового углерода. Для измерения проводимости предложено использовать метод высокоразрешающей растровой электронной микроскопии, позволяющий получить карту распределения углерода в масштабе нанометров. Разработана методика бинаризации полученной карты, отражающая пространственное распределение двух фаз – высокопроводящей, содержащей в своей основе слои графена и низкопроводящей, состоящей из хаотически распределенных атомов углерода. На основе бинарной карты сформирован плоскостной блок в виде правильной сетки из квадратных ячеек двух цветов – черного и белого, соответствующих высоко и низкопроводящей фазам. На плоскости блока выделены трубки тока, представляющие собой прямолинейные цепочки черных и белых ячеек, соединенных последовательно, причем полное сопротивление блока определяется параллельным соединением таких трубок. Предложена процедура формирования, приведена схема и выполнен расчет сопротивлений симметричного плоскостного блока по двум координатам. На основе плоскостного блока построен объемный элементарный блок, сопротивление которого является изотропным. Для определения удельного сопротивления материала в целом выполнена процедура декомпозиции, состоящая в представлении единичного объема образца в виде набора элементарных блоков. Для реальных образцов шунгита из двух природных месторождений выполнен расчет удельного сопротивления и удельной проводимости шунгитового углерода. Установлено соответствие расчетных данных с полученными контактным методом, в пределах 30%. В качестве главного достоинства предложенного метода отмечена возможность получения данных о проводимости углеродной составляющей шунгита в масштабе единиц нанометров.
Ключевые слова: углерод, шунгит, электрическая проводимость.
Abstract. The outlook of using the shungite for covering large area which can protect something from electromagnetic radiation is described. As a main parameter which determines the efficiency of created screens is determined the specific electrical conductivity of shungite carbon. For the measuring of conductivity it is proposed to use the high-resolution raster electron microscopy which make be possible to obtain the card of carbon distribution in the scale of some nanometers. The method of binarization of this card is proposed. This binare card describes the spatial distribution of two phases – large-conducting and small-conducting. The large-conducting phase consist of graphene slides. The small-conducting phase consist of chaotic distributed atoms of carbon. On the basis of binare card it is constructed the flat-area block which is looked as net from square cells having two colours – black and white which correspond one by one to large and small-conducting phases. On the area of block it is selected tubes of current which consist of straight chains of black and white cells connected in succession. The whole resistance of block is determined by parallel connection of these tubes. It is proposed the procedure of constructing this symmetrical block along two coordinates. The scheme of this construction is proposed. The calculation of block resistivity along two coordinates is executed. On the basis of flat-area block it is constructed the space elementary block which has equal to each other resistance along three coordinates. For the determination of specific resistance of material as a whole it is carried out the procedure of decomposition which consist of presentation the unit volume of specimen as a set of elementary blocks. For the real specimens of shungite from two natural deposits it is made the calculation of specific resistance and specific conductivity of shungite carbon. It is established that the calculated data are coincide with data received by contact method in the accuracy of 30%. As a most advantage of proposed method it is established the possibility of conductivity measuring of carbon part of shungite in the scale of some units of nanometers.
Key words: carbon, shungite, electro-conductivity.
Литература
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов. Москва, УРСС. 2001.
5. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот. ЖТФ. 2013. Т.83. №1. С.3-28.
6. 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.
7. Халиуллин Д.Я. Электродинамические свойства тонких бианизотропных слоев. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург. 1998.
8. Третьяков С.А. Электродинамика сложных сред: киральные, биизотропные и некоторые бианизотропные материалы (обзор). Радиотехника и электроника. 1994. Т.39. №10. С.1457-1470.
9. 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.
10. Родионов В.В. Механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродсодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Курск. 2014.
11. 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.
12. 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.
13. Бойправ О.В., Айад Х.А.Э., Лыньков Л.М. Радиоэкранирующие свойства никельсодержащего активированного угля. ПЖТФ. 2019. Т.45. №12. С.52-54.
14. 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.
15. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44-48.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск, Карелия. 1956.
20. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск, Карельский НЦ РАН. 2002.
21. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (ред.). Шунгиты – новое углеродистое сырье. Петрозаводск, Карелия. 1984.
22. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323-332.
23. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ-свойств шунгитов. Сыктывкар, Изд. СыктГУ. 2017.
24. Ковалевский В.В. Структура углеродного вещества и генезис шунгитовых пород. Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Петрозаводск. 2007.
25. 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.
26. 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.
27. Moshnikov I.A., Kovalevski V.V. Electrophysical properties of shungites at low temperatures. Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. 2016. Vol.7. No.1. P.214-219.
28. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. Москва, Высшая школа. 1987.
29. 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.
http://jre.cplire.ru/jre/may17/11/text.pdf.
30. 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. http://jre.cplire.ru/jre/sep17/8/text.pdf.
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 1. Концентрация углерода. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №8. http://jre.cplire.ru/jre/aug18/5/text.pdf.
32. 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. http://jre.cplire.ru/jre/aug18/6/text.pdf.
33. 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. http://jre.cplire.ru/jre/sep18/1/text.pdf.
34. Гоулдстейн Д., Яковиц Х. (ред.). Практическая растровая электронная микроскопия. Москва, Наука. 1978.
35. Никольский В.В, Никольская Т.И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. Москва, Наука. 1983.
36. Hahn W.C. A new method for calculation of cavity resonators. J. Appl. Phys. 1941. Vol.12. No.1. P.62-68.
37. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза, Изд. ПГУ. 2018.
38. Голованов О.С., 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.
39. Макеева Г.С., Голованов О.С., Ринкевич А.Б. Вероятностная модель и электродинамический анализ резонансного взаимодействия электромагнитных волн с 3D-магнитными нанокомпозитами. Радиотехника и электроника. 2014. Т.59. №2. С.152-158.
40. 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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.3.7
41. Калашников С.Г. Электричество. Москва, Наука. 1964.
42. Чертов А.Г. Единицы физических величин. Москва, Высшая школа, 1977.
43. Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. Электронный транспорт в графене. УФН. 2008. Т.178. №7. С.776-780.
44. 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.
Для цитирования:
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