ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 3
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.9
УДК 537.874; 537.624
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ГРАФЕНОСОДЕРЖАЩЕГО ШУНГИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕЙ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ
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 16 марта 2021 г.
Аннотация. Работа посвящена определению электрической проводимости углеродной составляющей графеносодержащего шунгита на основе статистической обработки карт распределения углерода, полученных методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. Для исходной караты распределения углерода предложена методика построения контурной карты, с последующим преобразованием ее в бинарную карту, представляющую собой сетку из квадратных ячеек черного и белого цвета. Выполнен статистический анализ повторяемости структуры бинарной карты в рамках выделяемой области квадратной формы. Показано, что относительная концентрация клеток того и другого цвета в выделяемой области по мере увеличения ее размера стремится к постоянной величине, а по мере уменьшения испытывает разброс тем боле сильный, чем величина области меньше. Выявлен минимальный размер области, для которого отклонение относительной концентрации клеток одного цвета от постоянного значения такой концентрации составляет не более 20%. Этот размер принят за плоскостную характеристику среднестатистического блока, относительные свойства которого повторяют относительные свойства структуры в целом. Исходя из условия изотропности углеродной составляющей шунгита, сформирована пространственная модель симметричного по трем осям кубического среднестатистического блока, состоящего из кубических ячеек того и другого цвета. Установлено, что черные ячейки соответствуют хорошей проводимости, а белые – плохой. Относительно направления электрического тока, протекающего в плоскости карты, предложены два варианта ориентации составляющих структуру блока графеновых пачек. Так, черные, хорошо проводящие ячейки, отождествлены с графеновыми пачками, ориентированными таким образом, что ток течет вдоль слоев графена, а белые, плохо проводящие ячейки – также с графеновыми пачками, но ориентированными таким образом, что ток течет поперек слоев графена. Для анализа проводимости среднестатистического блока предложено использовать модель трубок тока. Из полной структуры блока выделены трубки тока двух типов, соответствующие различным вариантам чередования черных и белых ячеек. Структура полученных трубок отождествлена с набором из выгодно и невыгодно ориентированных графеновых пачек. На основе известных сопротивлений слоя графена, рассчитаны сопротивления пачек выгодной и невыгодной ориентации. С использованием полученных сопротивлений пачек определены сопротивления трубок обоих типов. Показано, что основную роль в формировании сопротивлений трубок играют не хорошо проводящие слои графена, а плохо проводящие промежутки между слоями графена и графеновыми пачками. С использованием полученных сопротивлений трубок определено сопротивление среднестатистического блока, в котором трубки обоих типов соединены параллельно. На основе сопротивления среднестатистического блока получено удельное сопротивление, а также обратно пропорциональная такому сопротивлению удельная проводимость углеродной составляющей шунгита. Показано, что определяющим параметром как сопротивления, так и проводимости является удельное сопротивление промежутка между слоями графена и графеновыми пачками. Выполнено сравнение полученной удельной проводимости с наблюдаемыми в эксперименте удельными проводимостями шунгита из различных месторождений. Приведены некоторые практические замечания и отмечены недостатки, а также пути необходимого совершенствования предложенной модели.
Ключевые слова: углерод, шунгит, электрическая проводимость.
Abstract. The electrical conductivity of carbon component of graphene-contained shungite is investigated. The basis of this investigation is the statistic processing of carbon distribution cards which are obtained by high-resolution scanning electron microscopy. For the original card of carbon distribution it is proposed the method of building of contour card with following conversion its into binary card which consist of net from cells having black and white colours. The statistic analysis of repeating of binary card structure in the frame of selected region having square form. It is shown that the relative concentration of cells both colour in selected region by the increasing of its dimensions undertakes the scattering which increases when dimension of region is decreased. It is found the minimal dimension of region in which the deflection of relative concentration of cells of unit colour from the constant value of this concentration is not more then 20%. This dimension is received as flat-characteristic of middle-statistic block which relative properties repeats the relative properties of structure as a whole. From the conditions of isotropy of carbon component of shungite the space model of symmetrical along three axis cubic middle-statistic block which consist of cubic cells both colours. It is established that black cells correspond to large conductivity and white cells correspond to small conductivity. In connection with the direction of electric current which flows along the flat of card it is proposed two kinds of graphene packets orientation. In this case the black cells having large conductivity are identified with graphene packets where the current flows along the graphene slides and the white cells having small conductivity are identified with graphene packets where the current flows across the graphene slides. For the analysis of conductivity of middle-statistic block the model of current tubes is proposed. From the whole structure of block the two kinds of tubes are selected. This kinds of tubes correspond to different cases of alternate with each other black and white cells. The structure of these tubes is identified with the set of favourable and non-favourable oriented graphene packets. On the basis of known resistances of graphene slide it is calculated the resistances of packets having favourable and non-favourable orientations. Using this resistances of packets the resistances of tubes are calculated. It is shown that the main role in resistance of tubes formation plays the resistance of intervals between graphene slides and graphene packets. Using obtained resistances of tubes it is found the resistance of middle-statistic block which has the parallel connections of tubes. On the basis of middle-statistic block resistance it is found the specific resistance and the back proportional to this resistance the specific conductivity of carbon component of shungite. It is shown that the main parameter which determines the resistance and conductivity is the specific resistance of interval between graphene slides and graphene packets. It is execute the comparison of determined specific conductivity with the observed in experiments specific conductivities of shungite received from different natural deposits. The some practical remarks and some little defects are proposed. The possibilities of improvement of proposed model are discussed.
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. РЭ. 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. 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). РЭ. 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. No.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. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск, Карелия. 1956.
15. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск, Карельский НЦ РАН. 2002.
16. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (ред.). Шунгиты – новое углеродистое сырье. Петрозаводск: Карелия. 1984.
17. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323-332.
18. 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.
19. 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.
20. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44-48.
21. 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.
22. 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.
23. 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.
24. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ-свойств шунгитов. Сыктывкар: Изд.СыктГУ. 2017.
25. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. Москва, Высшая школа. 1987.
26. Антонец И.В., Котов Л.Н., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость аморфных наногранулированных пленок в диапазоне сверхвысоких частот. ПЖТФ. 2014. Т.40. №14. С.1-6.
27. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Особенности формирования статической и динамической проводимости композиционной пленки, содержащей наногранулы металла в диэлектрической матрице. РЭ. 2014. Т.59. №9. С.882-896.
28. Антонец И.В., Котов Л.Н., Кирпичёва О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Статическая и динамическая проводимость аморфных наногранулированных композитов «металл-диэлектрик». РЭ. 2015. Т.60. №8. С.839-850.
29. Антонец И.В., Власов В.С., Котов Л.Н., Кирпичёва О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Статическая и динамическая проводимость наногранулированных пленок «металл-диэлектрик». Журнал радиоэлектроники [электронный журнал].2016. №5. http://jre.cplire.ru/jre/may16/10/text.pdf.
30. Антонец И.В., Котов Л.Н., Кирпичёва О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Механизм динамической проводимости аморфных наногранулированных пленок «металл-диэлектрик» в диапазоне сверхвысоких частот. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2014. №4. http://jre.cplire.ru/jre/apr14/12/text.pdf.
31. Антонец И.В., Котов Л.Н., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость наногранулированных пленок «металл-диэлектрик» в диапазоне сверхвысоких частот. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №5. http://jre.cplire.ru/jre/may18/2/text.pdf.
32. 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.
33. 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.
34. 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.
35. 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.
36. 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.
37. 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.
38. 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. http://jre.cplire.ru/jre/mar20/7/text.pdf.
39. Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. Электронный транспорт в графене. УФН. 2008. Т.178. №7. С.776-780.
40. 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.
41. 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.
42. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза, Изд. ПГУ. 2018.
43. 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.
44. Чертов А.Г. Единицы физических величин. Москва, Высшая школа. 1977.
45. Калашников С.Г. Электричество. Москва, Наука. 1964.
46. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество. Москва, Наука. 1977.
Для цитирования:
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