Влияние структуры углеродной составляющей графеносодержащего шунгита на его электрическую проводимость
Аннотация
Выполнено исследование влияния структуры углеродной составляющей графеносодержащего шунгита на его электрическую проводимость. В качестве объекта исследования выбраны пять образцов шунгита из трех различных месторождений, имеющие одинаковое содержание углерода, равное 97%. Было установлено, что интегральная проводимость образцов, измеренная методом четырех контактов, меняется в пределах от 600 См/м до 2500 См/м. Для интерпретации столь сильного разброса данных при одинаковой концентрации было предпринято исследование структуры углеродной оставляющей образцов на наноуровне, выполненное методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. Этим методом на срезах образцов были сняты карты поверхностного распределения слоев графена и графеновых пачек. Для анализа проводимости образцов на основании полученных карт был использован метод независимых каналов. Метод предполагает представление образца в виде совокупности параллельных токоведущих каналов с последующим разбиением канала на кубические пространственные блоки. Последовательное соединение блоков с учетом ориентации слоев графена определяет суммарное сопротивление каждого отдельного канала, а параллельное соединение каналов дает удельную проводимость образца в целом. Для получения количественных характеристик вся карта разбивалась на ряд более мелких участков - полей, после чего полученные результаты усреднялись по всей площади карты. Для анализа непосредственно поля использовался метод клеточной дискретизации, состоящий в разбиении поля на отдельные клетки, размер которых был близок к размеру графеновой пачки. Было установлено, что характер структуры в пределах каждой клетки имеет два варианта: первый, когда слои графена имеют четко выраженную пространственную ориентацию и второй, когда выраженная ориентация отсутствует, то есть относительно ориентации клетки являются нейтральными. Выполнен количественный анализ нейтральных клеток по всем образцам. Показано, что нормированное количество нейтральных клеток прямо пропорционально удельной проводимости образца. Выполнен анализ ориентации слоев графена в клетках с явно выраженным преимущественным их направлением. Для рассмотрения пространственной структуры канала клетка отождествлена с боковой проекцией блока по двум координатам. Получена зависимость сопротивления блока от ориентации слоев графена. Показано, что сопротивление блока при протекании тока поперек слоев графена более чем на три порядка превышает сопротивление блока при протекании тока вдоль слоев графена. Показано, что главную роль в формировании полного сопротивления канала играют блоки, в которых слои графена ориентированы поперек направления тока. Путем суммирования по структуре, состоящей из таких каналов для единицы объема, получена удельная проводимость образца в целом. Установлено, что полученные значения проводимости для всех образцов превышают измеренные контактным методом до нескольких раз. В качестве причин превышения отмечено отсутствие учета влияния достаточно низкой проводимости промежутков между слоями и пачками, а также отсутствие учета неполного заполнения клеток периодическими структурами. Показано, что оптимальным в плане соответствия эксперименту является введение нормировочного коэффициента для проводимости промежутков равного 0,2222. Для учета заполнения блоков периодическими структурами выполнена бинарная дискретизация наиболее типичных блоков с разрешение до 0,2 нм, что близко к толщине слоя графена. По сделанной выборке получены усредненные коэффициенты заполнения углеродом, составляющие от 0,10 до 0,15 объема блока. С учетом нормировки проводимости промежутков и коэффициента заполнения блоков получена интегральная проводимость для всех образцов. Показано, что полученные значения близки к измеренным контактным методом, причем отклонение не превышает 37%. Кратко обсуждена качественная причина кажущегося парадоксальным увеличения интегральной проводимости при уменьшении структурированности углерода. Отмечено, что главной причиной такого ув
- углерод
- шунгит
- электрическая проводимость
Abstract (in English)
The influence of carbon component structure of graphene containing shungite on its electrical conductivity
The investigation of the influence of carbon component structure of graphene containing shungite on its electrical conductivity is carried out. Five shungite samples from three different deposits with the same carbon content equal to 97% were selected as the object of research. It is established that the integral conductivity of specimens which is measured by four-contact method is changed in frames from 600 Sm/m to 2500 Sm/m. For the interpretation of so large scattering of data by equal concentration it was undertaken the investigation of carbon component structure on nano-level which was made by method of high-distinguish raster electron microscopy. By this method on the microscopic section of these specimens was obtained the cards of surface distribution of graphene slides and graphene packets. For the analysis of conductivity of specimens on the basis of these cards it was employed the method of independent channels. This method employs the presentation of specimen as a combination from parallel current-leading channels with following distribution of channel to cubic space blocks. The successive connection of blocks with accounting of slides orientation determines the total resistance of each channel and the parallel connections of all channels determines the specific conductivity of specimen as a whole. For the obtaining the quantity characteristics the whole card was distributed to some more small regions - fields. In this case the obtained results are averaged by the whole square of card. For the analysis of the field the method of square discretization was used. By this method the whole field id distributed to individual squares which dimension is near to the dimension of graphene packet. It was established that the character of structure in each square has two variants: first when the slides of graphene has clear determined spatial orientation ant the second when special orientation is absent and by orientation the squares are neutral. It is made the quantity analysis of neutral squares along the all specimens. It is shown that the normalized quantity of neutral squares is straight proportional to specific conductivity of specimen. The analysis of slides graphene orientation in squares with clear determined spatial orientation is carried out. For investigation of space structure of channel, the square was identified with lateral projection of block along two coordinates. The dependence of block resistance from the slide orientation is found. It is shown that the block resistance by the flowing of current across the graphene slides is more than order exceeds the resistance by the flowing of current along the slides of graphene. It is shown that the most role in formation of channel resistance play the blocks which graphene slides are oriented across the current flowing. By the adding of channels along the structure of volume unit it was founded the specific conductivity of specimen as a whole. It is established that the obtained meanings of conductivity for all specimens exceed the obtained by contact method on several times. As a reason of this exceeding it is established the absence of accounting the influence of enough small conductivity of intervals between slides and packets and also the absence of accounting of incomplete filling of squares by periodic structures. It is shown that the optimal in plane of correspondence to experiment is the introduce the normalization coefficient of conductivity of intervals which is equal to 0,2222. For the accounting of incomplete filling of squares by periodic structures it was carried out the binary discretization of most typical blocks with the resolution near 0,2 nm which is near the thickness of graphene slide. Along the obtained selection there was the averaged coefficients of filling of carbon which are equal from 0,10 to 0,15 parts for the whole volume of blocks. With the normalized conductivity of intervals and coefficients of filling of blocks it was found the integra
Для цитирования
Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние структуры углеродной составляющей графеносодержащего шунгита на его электрическую проводимость // Журнал радиоэлектроники. – 2021. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.8.18