ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2018, № 8 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Исследование структурных и электрических свойств графеносодержащего шунгита по данным электросиловой спектроскопии. Часть 1. Концентрация углерода

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

1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, 167001, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, 55, Россия
2 Институт геологии Коми НЦ Уро РАН, 167982, Сыктывкар, ул. Первомайская, 54, Россия
3 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2018.8.5 УДК 537.874; 537.624 EDN YASRFJ

Аннотация

Выполнено исследование структурных свойств природного графеносодержащего материала шунгита. Образцы для исследования получены из месторождений Карелии и Онежского края (Шуньга, Зажогино, Максово, Чеболакша). Главным объектом исследования явилось объемное содержание (концентрация) проводящего углерода, разделенного прослойками из непроводящего кварца. В качестве основного метода определения концентрации углерода был избран неразрушающий метод электросиловой спектроскопии. В качестве контрольного использовался метод экспресс-анализа, состоящий в химическом анализе весового содержания углерода в газах, получающихся при сжигании шунгита в трубчатой печи. Исследуемые образцы были изготовлены путем механического вырезания пластин из объемных кусков шунгита размером до нескольких сантиметров, полученных из разных месторождений, с последующей шлифовкой и полировкой получающейся плоской поверхности. Всего было исследовано 32 образца с весовым содержанием углерода (измеренным методом экспресс-анализа) от 3 до 96 процентов. Анализ свойств образцов проводился с помощью атомного силового микроскопа. Электрические свойства образца определялись путем измерения сопротивления растекания электрического тока между острием кантилевера и поверхностью образца. Типичный размер исследованных полей образца составлял 20 на 20 мкм. Результатом измерений являлись двухцветные карты проводимости, представляющие собой близкое к хаотическому чередование участков белого и черного цвета. При этом белые участки соответствовали проводящему углероду, а черные - непроводящему кварцу. Для более подробного выявления пространственной структуры распределения углерода карты проводимости подвергались бинарной обработке. Для этого на карту накладывалась квадратная сетка из квадратных ячеек размером 20 на 20 ячеек, после чего те ячейки, в которых площадь, занимаемая черным цветом, составляла больше половины площади ячейки, окрашивались целиком в черный цвет, а те ячейки, где площадь, занимаемая черным цветом, составляла меньше половины площади ячейки, окрашивались в белый цвет. Полученные таким образом бинарные карты из 400 ячеек подвергались статистической обработке. Для этого подсчитывалась суммарная площадь, занимаемая ячейками того и другого цвета, откуда получалась характеристика пространственного распределения углерода по площади образца. Для выявления корректности бинарной обработки было выполнено исследование влияния величины шага сетки на распределение клеток того и другого цвета. Было показано, что влияние шага сетки проявляется в большей степени для той фазы, содержание которой относительно другой фазы достаточно мало. В рамках настоящей работы была признана оптимальной сетка размером 20 на 20 ячеек по той и другой координате, в результате содержащая 400 квадратных ячеек. Были измерены параметры получающегося поля, то есть количество ячеек того и другого цвета по каждому образцу в отдельности. В соответствии с принятой группировкой выполнена статистическая обработка полученных результатов с вычислением арифметического среднего и квадратичного отклонения. Было показано, что по мере увеличения концентрации углерода количество белых ячеек возрастает, а черных убывает, что отражает относительную площадь соответствующих фаз. Исследована зависимость количества белых ячеек бинарных полей карт проводимости по группам от объемной концентрации углерода. В качестве приближения к наблюдаемым результатам предложена эмпирическая формула в виде квадратичного полинома, построенная по методу наименьших квадратов. В результате графического построения полученной приближенной зависимости было показано, что она довольно близко подходит к прямой линии, отражающей линейную связь между концентрацией углерода и количеством белых ячеек. Отмечено некоторое превышение приближенной зависимости над этой прямой и ее выгиб вверх в сторону большей концентрации. Графическое построение подобной зависимости для черных ячеек полного поля дало такую же кривую с теми же особенностями, расположенную

  • углерод
  • шунгит
  • электрическая проводимость
Abstract (in English)

The investigation of structure properties of natural graphene-containing material shungite is performed. The specimens for investigation were found from deposits from Karelia and Onega-region in Russia (Shunga, Zazjogino, Maksovo, Chebolaksha). The central object of investigations was the volume concentration of conducting carbon which is separated by nonconducting quarts seams. In the most important method of carbon concentration determination it was choose the nondestructive electric-force spectroscopy method. As a control it was choose the express-analysis method which is consist in chemical analysis of weight concentration of carbon in the gases which are received by shungite burning in tube stove. In the reason of physical sense the result of express-analysis is the weight carbon concentration in burned specimen. But the electro-force spectroscopy method is able to found only surface properties of material. With the purpose of possibility to comparison of results founded by both methods it was proposed the method of recalculation of weight concentration to volume concentration. In the basis of recalculation it was made the supposition about volume equality of volume carbon atom and volume quarts components - atoms of silicon and oxygen. It is discussed the correctness of this supposition. It is noted that its acceptance bring to perfectly plausible results which are harmony with experiments. The investigated specimens were made by the mechanical cutting of plates from volume shungite pieces having length to several centimeters which are found from different deposits with following grinding and polishing of made flat surface. It was investigated in all 32 specimens having weight carbon concentration (determined by express-analysis method) from 3 to 96 per cent. The analysis of specimen properties was made by atom-force microscope. The electric properties of specimen were found by measuring of spreading of electric current between the cantilever point edge and specimen surface. The typical dimension of investigated regions of specimen was 20 to 20 micrometers. On the some specimens the measuring were made in smaller ground right until 3 to 3 micrometers. The space precision of microscope was 0,03 micrometers. The results of measuring were two-color conductivity maps which was the near to chaotic alternation of white and black regions. In this case the white regions corresponds to conducting carbon and black regions corresponds to nonconducting quarts. For the describe of founded conductivity maps it was discussed two before proposed models of shungite structure - “cubes with percolation” and “sand with liquid”. It is discussed the peculiarities of both models which found its points in conductivity maps. For more detailed investigation of carbon space structure distribution the maps were subjected to binomial processing. For this case on the map was putted the square net consist of square cells having dimension 20 to 20 cells. After this procedure the so cells which black region was more the half of cell area were painted to black color and cells which black region was less the half of cell area were painted to white color. The received by the same manner binomial maps having 400 cells were subjected to statistic processing. For this case the total area occupied by cells of white or black color is calculated. The results of this calculation is the space characteristic of carbon distribution over the specimen area. It was found that these calculated values of white and black areas have large scattering which value is so large as some times. For the founding of total statistic law it was proposed two system of specimen grouping - by the value of whole white or black cells areas on the conductivity maps and by the value of volume carbon concentration which was received by express-analysis method. It was shown that the first method can give some unity of samples by the regions of conductivity maps but the concentration scatterin

Для цитирования

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. – 2018. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.8.5

Литература

  1. Луцев Л.В., Николайчук Г.А., Петров В.В., Яковлев С.В. Многоцелевые радиопоглощающие материалы на основе магнитных наноструктур: получения, свойства и применение.//Нанотехника. 2008. №10. С.37.
  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.
  3. Антонов А.С., Панина Л.В., Сарычев А.К. Высокочастотная магнитная проницаемость композитных материалов, содержащих карбонильное железо.//ЖТФ. 1989. Т.59. №6. С.88.
  4. 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.
  5. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН. 2002.
  6. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (под ред. Е.Ф.Дюккиева). Шунгиты -новое углеродистое сырье. Петрозаводск: Карелия. 1984.
  7. Шека Е.Ф., Голубев Е.А. О техническом графене -восстановленном оксиде графена -и его природном аналоге -шунгите.//ЖТФ. 2016. Т.86. №7. С.74.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза: Изд. ПГУ. 2018.
  11. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера. 2005.
  12. Banerjee S., Sardar M., Gayathri N., Tyagi A.K., Baldev Raj. Enhanced conductivity in grapheme layers and at their edges.//APL. 2006. V.88. №6. P.062111.
  13. Голубев Е.А. Электрофизические свойства и структурные особенности шунгита (природного наноструктурированного углерода).//ФТТ. 2013. Т.55. №5. С.995.
  14. Shumilova T.G., Golubev Ye.A., Mayer J., Shevchuk S.S., Radaev V.A., Isaenko S.I., Tkachev S.N.//Carbon. 2017. V.114. P.724.
  15. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высш. шк. 1987.
  16. 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.
  17. 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. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep17/8/text.pdf.
  18. 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.
  19. 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.
  20. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Модельное представление микроструктуры шунгита в связи с его электропроводящими свойствами.//Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». М.: НИУ МЭИ. 2017. С.148.
  21. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние подложки на отражающие и пропускающие свойства двухслойной проводящей структуры.//Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». М.: НИУ МЭИ. 2017. С.166.
  22. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение модели двухкомпонентной среды для оценки электрической проводимости шунгита.//Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». М.: НИУ МЭИ. 2017. С.183.
  23. Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС. 2006.
  24. Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия. 1976.
  25. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние структурных параметров шунгита на его электропроводящие свойства.//«Журнал радиоэлектроники». 2017. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may17/11/text.pdf.
  26. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ-свойств шунгитов. Сыктывкар: Изд.СыктГУ. 2017.
  27. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука. 1964.
  28. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Физматгиз. 1963.