ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 7 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Алгоритмизация исследования структуры графеносодержащего шунгита по данным растровой электронной микроскопии

И.В. Антонец1, В.А. Устюгов1, В.И. Щеглов2

1 Сыктывкарский государственный университет им. П. Сорокина, Сыктывкар, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.7.13 УДК 537.874 EDN ELDYRF

Аннотация

Приведен краткий обзор общих характеристик графеносодержащего высокоуглеродистого шунгита как материала для создания экранов для электромагнитного излучения. Отмечено, что проводящие свойства, определяющие экранирующую способность, в значительной степени зависят от структуры и распределения графеновых слоев внутри материала. В качестве важнейшего инструмента, позволяющего исследовать структуру шунгита на наноуровне отмечена растровая электронная микроскопия. Выполнено рассмотрение полученных этим методом карт распределения углерода с помощью структурной дискретизации по трем уровням. Отмечены три градации однородности в пределах одной ячейки дискретизации: высокая, когда слои графена почти непрерывны, средняя, когда слои графена имеют разрывный характер, низкая, когда четко выраженные слои графена отсутствуют. Исследование проведено двумя методами - ручным и машинным. Описана методика ручной обработки с помощью подвижной маски, последовательно проходящей по ячейкам карты. Описана методика машинной обработки, состоящей в измерении энтропии по Шеннону для каждой ячейки по отдельности. Выполнен6о сравнение результатов ручной обработки с машинной. Установлено, что в общем совпадение между методами составляет 67%, а отсутствие совпадений - 33%. При этом наилучшее совпадение имеет место по средней степени упорядоченности (26%), что заметно выше, чем совпадение по высокой (17%) и низкой (23%) степеням упорядоченности. На основе полученных результатов был сделан вывод о высокой степени эффективности замены ручной обработки машинной. Приведены рекомендации для дальнейшего развития работы.

  • графеносодержащий шунгит
  • растровая электронная микроскопия
  • энтропия по Шеннону
Abstract (in English)

Algorithmic study of the structure of graphene-containing shungite based on scanning electron microscopy data

A brief review of the general characteristics of graphene-containing high-carbon shungite as a material for creating shields for electromagnetic radiation is presented. It is noted that the conductive properties, which determine the shielding ability, depend largely on the structure and distribution of graphene layers within the material. The scanning electron microscopy is noted as the most important tool to study the structure of shungite at the nanoscale. The carbon distribution maps obtained by this method were examined by means of structural discretization on three levels. Three gradations of homogeneity within one discretization cell were noted: high, when graphene layers are almost continuous, medium, when graphene layers have discontinuous character, low, when well-defined graphene layers are absent. The study was carried out by two methods, manual and machine. The manual processing technique is described using a movable mask sequentially passing through the cells of the map. The technique of machine processing consisting in Shannon entropy measurement for each cell separately is described. Comparison of the results of manual processing with machine processing is performed. It was found that, in general, the coincidence between the methods is 67%, and the lack of coincidence is 33%. At the same time, the best coincidence takes place in the medium degree of ordering (26%), which is noticeably higher than the coincidence in the high (17%) and low (23%) degrees of ordering. On the basis of the results obtained, it was concluded that there is a high degree of efficiency in replacing manual processing with machine processing. Some recommendations for further development of the work are given.

Для цитирования

Антонец И.В., Устюгов В.А., Щеглов В.И. Алгоритмизация исследования структуры графеносодержащего шунгита по данным растровой электронной микроскопии // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.7.13

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. https://doi.org/10.219883/PJTF.2019.12.47921.17225
  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. https://doi.org/10.21883/PJTF.2019.19.48318.17847
  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. https://doi.org/10.21883/PJTF.2018.09.46060.16883
  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 технологи". 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. https://doi.org/10.3367/UFNr.01788.2000807i.0776
  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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.3.7
  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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.3
  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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.9
  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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.3.13.
  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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.6.
  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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.8.18.
  38. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение метода тринарной дискретизации для анализа структурного распределения углерода в графеносодержащем шунгите. // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2023. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.17.
  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 1. Концентрация углерода. // Электронный "Журнал радиоэлектроники", 2018, №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.8.5.
  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 2. Дискретность структуры. // Электронный "Журнал радиоэлектроники", 2018, №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.8.6
  41. 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. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.9.1.
  42. 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 (электронный журнал). 2023. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.18
  43. Antonets I.V., Golubev Ye.A., Shcheglov V.I. The effect of structure on the conductivity of disordered carbon (the case of graphene-containing shungite). // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2023. V.31. №10. P.961-970. https://doi.org/10.1080/1536383X.2023.2226273.
  44. 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. 2024. V.32. №3. P.246-253. https://doi.org/10.1080/1536383X.2023.2273416.
  45. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука. 1964.
  46. Левич В.Г. Курс теоретической физики. Т.1. М.: Наука. 1969.