ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 11 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Применение метода трехуровневой дискретизации для анализа связи между структурой и удельной проводимостью графеносодержащего шунгита

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

1 Сыктывкарский государственный университет им. П.Сорокина, Сыктывкар, Россия
2 Институт геологии им. Н.П.Юшкина Коми НЦ Уро РАН, Сыктывкар, Россия
3 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.18 УДК 537.624 EDN ILBAYW

Аннотация

Исследовано соотношение между структурной конфигурацией распределения углерода графеносодержащего шунгита и его удельной проводимостью. Исследованы четыре образца шунгита из различных природных месторождений. Структурная конфигурация углерода исследовалась методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии, что позволило получить карту распределения слоев графена, графеновых пачек и графеновых лент по плоскости образца. Удельная проводимость образцов измерялась методом четырех контактов. По каждому образцу было снято по пять карт в различных его местах, то есть всего - двадцать карт. Для анализа локального распределения углерода использовался метод дискретизации карт по трем уровням, состоящий в наложении на плоскость карты сетки с квадратными ячейками и последующим анализом упорядоченности слоев графена по каждой ячейке. Отмечены три уровня упорядочения структуры: высокий, средний и низкий, различающиеся количеством и протяженностью слоев графена внутри ячейки. Путем усреднения по всем картам данного образца, для каждого образца была получена собственная числовая характеристика, отражающая структуру распределения углерода. В качестве основных параметров было выбрано усредненное значение степени упорядоченности и обратная величина квадратичного отклонения от этого значения. Было установлено, что зависимость обратного отклонения по образцу от номера образца имеет тот же характер, что и зависимость удельной проводимости от того же номера. В результате исследований было показано, что удельная проводимость образца шунгита может быть определена путем статистического анализа карт пространственного распределения углерода, полученных методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. Был предложен алгоритм определения проводимости путем анализа карт распределения углерода, состоящий из 16 последовательных шагов, начинающийся с получения совокупности карт с помощью электронного микроскопа и заканчивающийся получением искомого значения проводимости.

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

Application of three-level discretization method for analysis connection between structure and specific conductivity of graphene-contained shungite

The correlation between structure configuration of carbon distribution of graphene-contained shungite and its specific electrical conductivity is investigated. The four shungite specimens from different natural depositions are investigated. The carbon structure configuration is investigated by high-permission raster electron microscopy. As a result, there was found cards of graphene layers, graphene packets and graphene ribbons along the plane of specimen surface. The specific electrical conductivity was merit be the four-contact method. On each specimen was found five cards in different its points as a whole - twenty cards. For the analysis of carbon local distribution, the descretization by three levels method was used. This method consists of applying on the card plane the grid with square cells and following analysis of regularity graphene layers by each cell. It is found three levels of order regularity structure: high, middle and low which distinguished by the number and length of graphene layers inside of cell. By averaging along all cards of present specimen for each specimen was found the own numerical characteristic which describes the carbon distribution structure. As a most important parameters were selected the averaged meaning of order degree and inversed value of square deflection from this value. It was found that the dependence of inverted value on specimen from the specimen number has the same character as the dependence on specific conductivity form the same number. As a result of investigations, it was proposed that the specific conductivity of shungite specimen may be found from statistical analysis of carbon space distribution cards which are found by the high-permission raster electron microscopy. It was proposed the algorithm of founding conductivity by analysis carbon configuration cards consisted from 16 successive steps which started from the founding the total combination of cards with the aid of electron microscope and finished by obtaining the electric conductivity value.

Для цитирования

Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода трехуровневой дискретизации для анализа связи между структурой и удельной проводимостью графеносодержащего шунгита // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.18

Литература

  1. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (ред.). Шунгиты - новое углеродистое сырье. Петрозаводск: Карелия. 1984.
  2. 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.
  3. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск: Карелия. 1956.
  4. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН. 2002.
  5. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. // Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323-332.
  6. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ-свойств шунгитов. Сыктывкар: Изд.СыктГУ. 2017.
  7. Родионов В.В. Механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродсодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Курск. 2014.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. // ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44-48.
  11. 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.
  12. 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. V.5. №4. P.04023-1 04023-3.
  13. Кузьменко А.П., Родионов В.В., Харсеев В.А. Гиперфуллереновые углеродные нанообразования как порошковый наполнитель для поглощения СВЧ-излучения. // Нанотехника. 2013. №4. Выпуск 36. С.35-36.
  14. 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. V.6. №3. P.03037-1 03037-2.
  15. Бойправ О.В., Айад Х.А.Э., Лыньков Л.М. Радиоэкранирующие свойства никельсодержащего активированного угля. // ПЖТФ. 2019. Т.45. №12. С.52-54.
  16. Савенков Г.Г., Морозов В.А., Украинцева Т.В., Кац В.М., Зегря Г.Г., Илюшин М.А. Влияние добавок шунгита на электрический пробой перхлората аммония. // ПЖТФ. 2019. Т.45. №19. С.44-46.
  17. Golubev Ye.A., Antonets I.V., Shcheglov V.I. Static and dynamic conductivity of nanostructured carbonaceous shungite geomaterials. // Materials Chemistry and Physics. 2019. V. 226. №3. P.195-203.
  18. 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.12-18.
  19. 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 технологии". Витебск: Беларусь. 2017. С.6-9.
  20. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость графеносодержащего шунгита в диапазоне сверхвысоких частот. // Сборник трудов конференции "Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах". Институт физики Дагестанского научного центра РАН. Махачкала. 2017. С.432-436.
  21. 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.135-147.
  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. 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.
  25. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза: Изд. ПГУ. 2018.
  26. Castro Neto A.H., Guinea F., Peres N.M.R., Novoselov K.S., Geim A.K. The electronic properties of graphene. Rev.Mod.Phys. 2009. V.81. №1. P.109-162(54).
  27. Ковалевский В.В. Структура углеродного вещества и генезис шунгитовых пород. // Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Петрозаводск. 2007.
  28. 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.
  29. 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.
  30. Гоулдстейн Д., Яковиц Х. (ред.). Практическая растровая электронная микроскопия. М.: Наука. 1978.
  31. Стоянов П.А. Электронный микроскоп. // Физическая энциклопедия. Т5. М.: Большая Российская энциклопедия. 1998. Стр.574-578.
  32. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Представление удельной проводимости графеносодержащего шунгита на основе модели трубок тока. // Электронный "Журнал радиоэлектроники". 2020. №3. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/mar20/7/text.pdf
  33. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода блочной дискретизации для анализа электрической проводимости графеносодержащего шунгита. // Электронный "Журнал радиоэлектроники". 2021. №3. http://jre.cplire.ru/jre/mar21/3/text.pdf
  34. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Определение электрической проводимости графеносодержащего шунгита с использованием высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. // Электронный "Журнал радиоэлектроники". 2021. №3. http://jre.cplire.ru/jre/mar21/9/text.pdf
  35. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода декомпозиции для расчета проводимости шунгита на основе электронно-микроскопических карт распределения углерода. // Электронный "Журнал радиоэлектроники". 2021. №3. http://jre.cplire.ru/jre/mar21/13/text.pdf
  36. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода независимых каналов для определения электрической проводимости графеносодержащего шунгита. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №7. http://jre.cplire.ru/jre/jun21/6/text.pdf
  37. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние структуры углеродной составляющей графеносодержащего шунгита на его электрическую проводимость. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №8. http://jre.cplire.ru/jre/aug18/8/text.pdf
  38. 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. // Электронный "Журнал радиоэлектроники", 2018, №8. http://jre.cplire.ru/jre/aug18/5/text.pdf
  39. 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. // Электронный "Журнал радиоэлектроники", 2018, №8. http://jre.cplire.ru/jre/aug18/6/text.pdf
  40. 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. // Электронный "Журнал радиоэлектроники", 2018, №9. http://jre.cplire.ru/jre/sep18/1/text.pdf
  41. Antonets I.V., Golubev Ye.A., Shcheglov V.I. Application of the trinary discretization method for the structural analysis of natural disordered sp2 carbon // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2023. https://doi.org/10.1080/1536383X.2023.2273416
  42. Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. М.: ГЕОС. 2006
  43. 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. // Радиотехника и электроника. 2004. Т.49. №10. С.1243-1250.
  44. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Проводящие и отражающие свойства пленок нанометровых толщин из различных металлов. // Радиотехника и электроника. 2006. Т.51. №12. С.1481-1487.