"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" ISSN 1684-1719, N 9, 2018

оглавление выпуска         DOI  10.30898/1684-1719.2018.9.1     текст статьи (pdf)   

УДК 537.874; 537.624

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАФЕНОСОДЕРЖАЩЕГО ШУНГИТА ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОСИЛОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.

ЧАСТЬ 3. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

 

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 21 августа 2018 г.

 

Аннотация. Работа является третьей частью исследования структурных и электрических свойств графеносодержащего шунгита. Исследования проводятся с целью оценки возможности использования шунгита для создания планарных структур, экранирующих электромагнитное излучение. Исследования выполнены на основе карт проводимости получаемых методом электросиловой спектроскопии. Во введении приведен краткий обзор первых двух частей работы с перечислением полученных там результатов. Отмечено, что главным предметом настоящей работы является исследование распределения цепей клеток на бинарном поле проводимости каждого исследованного образца с целью получения его интегральной проводимости. Приведена общая характеристика образцов и методики измерений. Результатом измерений являлись карты проводимости, для анализа которых выполнялась их дискретизация с бинарной цифровой обработкой. Сканирование полученных бинарных карт позволило определить количество и структуру распределения цепей бинарных элементов той и другой фазы (углерода и кварца). В качестве исходного эталона, использовалось измерение проводимости контактными методами – по двум и четырем контактам. По полученным данным  построена зависимость проводимости от концентрации углерода, приближенная квадратичным полиномом. Рассмотрены два варианта получения приближающих полиномов – по методу наименьших квадратов с построением соответствующих таблиц и с помощью стандартного математического пакета Matlab с помощью команды polyfit. В рамках настоящей работы признано оптимальным для полиномов второго порядка, требующих высокой точности,  использовать метод таблиц, а для полиномов, требующих меньшей точности и полиномов третьего порядка использовать пакет Matlab. При сканировании бинарных карт учитывалось количество цепей заданной протяженности, после чего для каждого значения протяженности количество цепей суммировалось по всему полю. Рассмотрены типичные случаи зависимости количества цепей от их протяженности при различной концентрации углерода. Выполнено приближение полученных значений полиномами третьей степени. Показано, что при малых и средних концентрациях (до 70%) максимум значения полинома имеет место при протяженности цепей равной бинарной единице, а при больших концентрациях (более 70%) максимум значения полинома приходится на максимальную возможную протяженность цепей (в данном случае – 20 бинарных единиц). Предложена схема пошагового количественного анализа зависимости протяженности цепей от концентрации углерода. Отмечено, что ключевым моментом является задание уровня нормированного на свой максимум полинома зависимости количества цепей от их протяженности. На основе полученных данных построена зависимость средних значений протяженности цепей на заданном уровне от концентрации углерода, которая далее приближена полиномом второй степени. Выполнено сравнение полученного полинома с полиномом, отражающим зависимость проводимости от концентрации, полученную контактным методом. Показано, что обе зависимости находятся в хорошем соответствии (различие составляет менее 5%). Предложена модель, устанавливающая однозначное соответствие с точностью до нормирующих коэффициентов между протяженностью цепей на заданном уровне и интегральной проводимостью образца в целом. Предложен способ измерения интегральной проводимости образца шунгита на основе анализа его бинарной карты проводимости, полученной методом электросиловой спектроскопии.

Ключевые слова: углерод, шунгит, электрическая проводимость.   

Abstract. This paper is the second part of materials in which authors investigate  the structure and electrical properties of graphene-contained shungite. These investigations are carried with the aim to know the possibility of shungite employment for the creating of planar structure intended electromagnetic radiation. These investigations are carried on the basis of conductivity maps obtained by electro-force spectroscopy method. In the introduction it is described the brief review of first and second parts of this work and mentioned its results. It is described the most important properties of explored specimens. It is described the discretization method of conductivity maps which may be possible from the binomial maps to determine the structure parameters of specimens. It is described the scheme of determination of carbon concentration on the basis of calculation white and black checks on the fields which are obtained from discretizated conductivity maps. It is described the procedure of investigation of chains checks white and black colors on the binomial conductivity field which is made with the purpose of detailed investigation of space distribution of structure conducting and non-conducting phase. It is introduced in consideration the structure discretization parameter in the measure of it’s the single square proposed which for investigated specimens have the side 2.5 micrometers. For the characteristic of carbon distribution over the specimen volume it is introduced the parameter of fractional which equal to quantity of single cubes in volume unit. The determines shungite structure is compared with proposer early models «cubes with percolation» and «sand with liquid». It is established the satisfactory agreement. It is noted that the most important object of present work is the investigation of distribution of checks chains on the binomial conductivity field of each investigated specimen with the purpose of determination of its integral conductivity. It is described the general characteristics of specimens and methods of measuring.  There was investigated the same specimens as in first and second parts of this work. It was investigated 32 specimens grouped to nine groups on the sign of the same carbon concentration. The methods of specimen parameters measuring also as a whole coincides with those described in first and second parts of this work. So the volume concentration was determined by coulomb-metric titration. The distribution of conducting and non-conducting regions on the flat processed specimens surfaces was determined by electro-force microscope by resister-spreading method. The result of these measuring was the conductivity maps for the analysis  of its it was made its discretization with binomial numerical processing. The scanning of these binomial maps was to be able to determine the quantity and structure of chains binomial elements distribution white and black phases (carbon and quarts). In the quality of the original etalon it was employed the measure of conductivity be contact methods – by two and four contacts. By these data it was build the dependence of conductivity from the carbon concentration which was approximated by quadratic polynomial. It is investigated two variants of approximation polynomial determination – by the least square method with the building of corresponding tables and with the standard mathematic package “Matlab” with the aid of command “polyfit”. It is established that the advantage of tables method is the high degree of approximation and the defect – some cumbersome when the polynomial degree is more the two. The advantage of package “Matlab” is simplicity of application so as the polynomial of 3-4 degree and defect – comparatively low accuracy. In the framework of this paper it was recognized that the optimal for the polynomial of second degree which demands high accuracy to employ the table method and for polynomial which demand less accuracy and polynomial third degree employ the package “Matlab”. By scanning of binomial maps it is calculated the quantity of chains having established extent. After this calculation for each value of extent the whole quantity of chains is added. The scanning was made along the horizontal and vertical lines after this from two determined values the middle arithmetical value was calculated which is accepted as the measure of chains quantity of established color. For white chains (carbon) it is found the scattering of determined values by small extent is 25% and by the extent is increased it is diminishing try to attain zero. It is investigated the typical cases of dependence chain quantity from its extent by different carbon concentration. It is made the approximation of determined values by three degree polynomials. It is shown that by small and middle concentrations (less then 70%) the maximum value of polynomial take place by chain extent is equal to binomial unit and by large concentrations (more then 70%) maximum value of polynomial is fall to maximum possible chain extent (in this case – 20 binomial units). It is made the quality investigation of correlation between white chains extent (carbon) and integral conductivity. It is fount that by increasing of chains extent the integral conductivity mast increase. It is proposed the scheme of stepped quantity analysis of dependence of chain extent from carbon concentration. It is found that the most important moment of this task is the establishment of normalized by own maximum polynomial dependence of chain quantity from its extent. On the basis of determined data it is build the dependence of middle values of chain extent on the determined level from the carbon concentration which after this is approximated by polynomial of second degree. It is investigated the particularity of determined data from the value of established level. It is shown that the optimal for natural results is the level about 0,1 from maximum polynomial value in the frame of whole concentration changing from zero to 100%. On the basis of determined data it is build the dependence of middle extent values on established level from carbon concentration which is approximated by polynomial of second degree. It is made the comparison of determined polynomial with the polynomial which describes the dependence of conductivity from concentration which is determined by contact method. It is shown that in the case of introduction some normal coefficients both dependences are in good agreement to each other (the distinction is less then 5%). It is proposed the model which establishes the simplification in accuracy on normal coefficients between the chains extent on established level and integral conductivity of specimen as a whole. It is found the analytical formula which describes this dependence in the accuracy of about some units of percents. It is proposed the method of measuring of integral specimen conductivity on the basis of analysis of its binomial conductivity maps determined by electro-force microscopy method.

Key words: carbon, shungite, electro-conductivity.

 

Для цитирования:

И. В. Антонец, Л. Н. Котов, Е. А. Голубев, В. Г. Шавров, В. И. Щеглов. Исследование структурных и электрических свойств графеносодержащего шунгита по данным электросиловой спектроскопии. Часть 3. Интегральная проводимость. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. № 9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep18/1/text.pdf

DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.1