ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2017, № 9 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Модельное представление микроструктуры, проводимости и СВЧ свойств графеносодержащего шунгита

И.В. Антонец1, Е.А. Голубев2, В.Г. Шавров3, В.И. Щеглов3

1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, Россия
2 Институт геологии Коми НЦ Уро РАН, Россия
3 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст (PDF) УДК 537.874; 537.624 EDN ZRJEFT

Аннотация

Рассмотрены структурные и электрические свойства природного композита - шунгита, представляющего собой конгломерат проводящих углеродных слоев и непроводящих включений кварца. Методом электронно-микроскопического анализа получены элементные карты распределения проводимости по поверхности образцов шунгита. С учетом конфигурации углеродных слоев построены две модели интегральной проводимости шунгита: «кубики с перколяцией» и «песок с жидкостью». На основе построенных моделей рассмотрены условия формирования статической и динамической проводимостей шунгита. Методом электросиловой микроскопии выполнено локальное измерение статической проводимости шунгита. Определены удельные проводимости ряда образцов с различным содержанием углерода. На зависимости проводимости от содержания углерода обнаружен резкий подъем вблизи концентрации равной 40%, интерпретированный на основе перколяции углеродных образований во внутренней структуре шунгита. Исследована электрическая проводимость углеродосодержащего шунгита в соответствии с различными теоретическими моделями двухкомпонентной среды. На основе измеренных в эксперименте значений проводимости углерода и кварца найдены значения интегральной удельной проводимости образцов шунгита в целом. Проведено сравнение полученных модельных значений интегральной проводимости с подобными значениями, измеренными в эксперименте. Отмечена корреляция применимости моделей с объемным содержанием углерода в шунгите. Выполнено исследование динамических свойств шунгита в диапазоне СВЧ. Экспериментально измерено отражение, прохождение и поглощение электромагнитных волн пластинами из шунгита. Исследования проведены в диапазоне СВЧ от 8 до 70 ГГц для шунгита с содержанием углерода от 3 до 95%. Показано, что по мере увеличения содержания углерода отражающая способность шунгита возрастает. Выявлена зависимость отражения от частоты, носящая спадающий линейный характер. Исследованы зависимости энергетических коэффициентов отражения, поглощения и прохождения от весовой концентрации углерода. Показано, что все эти зависимости следуют закону гиперболического тангенса, соответствующего перколяционному механизму проводимости. Проведено сравнение динамической проводимости со статической в широком диапазоне концентрации углерода. Показано, что при высоком содержании углерода динамическая проводимость превышает статическую примерно в 15 раз, а при низком - от нее практически не отличается. Полученные зависимости интерпретированы на основе механизма формирования динамической проводимости за счет гранулярных токов в углеродных слоях. Для определения влияния подложки на отражающие свойства шунгита выполнено теоретическое рассмотрение прохождения электромагнитной волны через двухслойную структуру. Исследованы частотные зависимости амплитуд отраженного и проходящего сигналов. Выявлена сильная аномалия отражения резонансного характера, состоящая в значительном уменьшении отражающей способности стеклянной подложки в узком диапазоне частот (около 10% от основной частоты). Для интерпретации такой аномалии предложена модель возбуждения четвертой моды стоячей электромагнитной волны по толщине стеклянной подложки. Выполнена экспериментальная проверка полученных зависимостей. Отмечено хорошее качественное согласие между теорией и экспериментом. Выявлено, что для получения количественного согласия необходим учет значительного превышения динамической проводимости пластины над статической. Показано, что численная оценка такого превышения составляет два порядка и более, что хорошо соответствует модели гранулярных токов.

  • электрическая проводимость
  • electroconductivity
  • шунгит
  • композиционная среда
Abstract (in English)

The structure and electrical properties of natural composite - shungite which is the conglomeration of conducting carbon slides and non-conducting quartz inclusions are investigated. By the electron-microscopic analysis method are obtained the element cards of conductivity distribution along the shungite surface specimens. In according with carbon slides configuration are created two models of integral conductivity of shungite: “cubes with percolation” and “sand with liquid”. On the basis of these models are investigated the conditions of shungite static and dynamic conductivity. By the electro-force microscopic method it is made the local measuring of shungite static conductivity. It is found the specific conductivities of some specimens with different carbon containing. On the dependence of conductivity from carbon containing it is found the sharp expansion near the carbon concentration is equal to 40%. This expansion is explained on the basis of carbon formations percolation in the inner structure of shungite. It is investigated the electrical conductivity carbon-containing shungite in connection with different theoretical models of two-component medium. On the basis of experimentally measured carbon and quartz conductivity values it is found the values of integral specific conductivity of shungite specimens as a whole. It is made the comparison of founded model values of integral conductivity with the same values which are measured in experiment. It is found the correlation between the models application and volume containing of carbon in shungite. It is made the investigation of shungite dynamical properties in microwave range. In experiment is measured the reflection, propagation and absorption of electromagnetic waves in shungite plates. The investigations were made in microwave range from 8 to 70 GHz for shungite with carbon containing from 3 to 95%. It is shown that when the carbon containing is increased the reflecting ability of shungite is also increasing. It is found the dependence of reflection from frequency having the falling linear character. It is investigated the dependencies of energy coefficients of reflection, propagation and absorption from the weight carbon concentration. It is shown that all of these dependencies are followed to hyperbolic tangent law which is corresponded to the percolation mechanism of conductivity. It is made the comparison of dynamic and static conductivities in the broad range of carbon concentration. It is shown that by high carbon containing the dynamic conductivity is more then static on 15 times and by low concentration is approximated to its. The measured dependencies are explained by the mechanism of dynamic conductivity which is based on the excitation of granular currents in carbon slides. For the determination of substrate influence on reflecting properties of shungite it is made the theoretical investigation of electromagnetic wave propagation through two-layer structure. It is investigated the frequency dependencies of reflected and propagated signal amplitudes. It is found the high anomaly having resonance character which consists of large decreasing of reflecting possibility of glass substrate in narrow frequency range (about 10% form main frequency). For the explanation of this anomaly it is proposed the model of excitation of fourth mode standing electromagnetic wave through the glass substrate thickness. It is made the experimental testing of founded dependencies. It is found the acceptable quality agreement between theory and experiment. Ii is found that for the quantity agreement it is needed the consideration of large exceeding of dynamic conductivity above static conductivity. It is shown that the numerical appreciation of this exceeding is equal to two orders or more which is in well agreement with granular currents model.

Для цитирования

Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Модельное представление микроструктуры, проводимости и СВЧ свойств графеносодержащего шунгита // Журнал радиоэлектроники. – 2017. – № 9.

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. №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. 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. М.: 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. V.84. №18. P.4184-4187.
  8. Pendry J.B. Negative refraction makes a perfect lens. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.85. №18. P.3966-3969.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск: Карелия. 1956.
  12. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН. 2002.
  13. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (ред.). Шунгиты - новое углеродистое сырье. Петрозаводск: Карелия. 1984.
  14. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. // ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44-48.
  15. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. // Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323-332.
  16. 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.
  17. Родионов В.В. Механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродсодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Курск. 2014.
  18. 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.
  19. Антонец И.В., Щеглов В.И. Распространение волн через многослойные структуры. Часть первая. Прямой метод. Сыктывкар: ИПО СыктГУ. 2011. 134 с.
  20. 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.
  21. 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.
  22. Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. Электронный транспорт в графене. // УФН. 2008. Т.178. №7. С.776-780.
  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. 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.
  25. Антонец И.В., Котов Л.Н., Кирпичева 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.
  26. Антонец И.В., Власов В.С., Котов Л.Н., Кирпичева О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2016. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may16/10/text.pdf.
  27. Гоулдстейн Д., Яковиц Х. (ред.). Практическая растровая электронная микроскопия. М.: Наука. 1978.
  28. 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.
  29. Антонец И.В., Котов Л.Н., Некипелов С.В., Голубев Е.А. Проводимость гранулированных металл-диэлектрических пленок. // ЖТФ. 2004. Т.74. №3. С.24-27.
  30. Антонец И.В., Котов Л.Н., Некипелов С.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Электродинамические свойства тонких металлических пленок с различной толщиной и морфологией поверхности. // РЭ. 2004. Т.49. №10. С.1243-1250.
  31. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Проводящие и отражающие свойства пленок нанометровых толщин из различных металлов. // РЭ. 2006. Т.51. №12. С.1481-1487.
  32. 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.
  33. Клюев В.В. (ред.). Неразрушающий контроль и диагностика (справочник). М.: Машиностроение, ЗАО НИИИН МНПО «Спектр». 2003.
  34. Камилов И.К., Даунов М.И., Моллаев А.Ю., Габибов С.Ф. Теплофизические и термоэлектрические свойства твердых тел в области полиморфного и сверхпроводящего переходов. // ФТТ. 2013. Т.55. №6. С.1152-1156.
  35. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. 1. Матричные двухфазные системы невытянутых частиц. // ЖТФ. 1951. Т.21. №6. С.667-677.
  36. Нетушил А.В. Модели электрических полей в гетерогенных средах нерегулярных структур. // Электричество. №10. 1975. С.1-8.
  37. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Алгоритм определения амплитуд отраженных и проходящих волн при симметричном падении двух встречных волн на многослойную неоднородную структуру. // РЭ. 2012. Т.57. №1. С.67-79.
  38. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Алгоритм определения амплитуд внешних и внутренних волн при падении встречных волн на многослойную структуру со ступенчатой неоднородностью. // РЭ. 2013. Т.58. №1. С.16-27.
  39. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Два простых алгоритма определения амплитуд внешних и внутренних колебаний при распространении встречных волн в многослойной неоднородной структуре. Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2013. №1. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jan 13/11/text.pdf.
  40. Антонец И.В., Щеглов В.И. Распространение волн через многослойные структуры. Часть пятая. Алгоритмические методы. Сыктывкар: ИПО СыктГУ. 2014. 120 с.
  41. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука. 1979. 426 с.
  42. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. 2. Статистические смеси невытянутых частиц. // ЖТФ. 1951. Т.21. №6. С.678-685.
  43. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. 1982. 624 с.
  44. Антонец И.В., Щеглов В.И. Распространение волн через тонкие слои и пленки. Сыктывкар: ИПО СыктГУ. 2010. 132 с.
  45. Антонец И.В., Щеглов В.И. Распространение волн через многослойные структуры. Часть седьмая. Баланс энергий. Сыктывкар: ИПО СыктГУ. 2015. 108 с.
  46. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Энергетические характеристики распространения волны через границы раздела сред с комплексными параметрами. // РЭ. 2009. Т.54. №10. С.1171-1183.
  47. Семенов А.А. Теория электромагнитных волн. М.: Изд.МГУ. 1968. 320 с.
  48. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 856 с.