ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 8 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Применение метода вторичной дискретизации для анализа структуры графеносодержащего шунгита по данным растровой электронной микроскопии

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

1 Сыктывкарский государственный университет им. П. Сорокина, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.8.10 УДК 537.874 EDN PYGBHY

Аннотация

Предложено применение метода вторичной дискретизации для анализа структуры графеносодержащего шунгита по картам распределения углерода в образцах шунгита, снимаемым методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии. Для анализа степени однородности карт использовался метод первичной структурной дискретизации по трем уровням, для чего карта разбивалась на ячейки с помощью наложения сетки с квадратными ячейками. Определение степени порядка проводилось ручным и машинным методами, после чего выполнялось сравнение получаемых результатов. Предложена схема иерархии степеней порядка. Выделены пять степеней порядка. Предложено определение «порядка соседства», характеризующее степень изменения однородности структуры на границе между соседствующими ячейками. Предложена схема вычисления порядка соседства по строке карты с последующим суммированием по всей карте в целом. Предложена процедура вторичной дискретизации карты, состоящая в наложении на первично дискретизированную карту новой сетки, включающей в себя целое число первичных ячеек. Выполнена вторичная дискретизация первого уровня, в результате которой полная карта была разбита на четыре частичных карты. На основе обработки частичных карт показано, что порядок соседства при ручной обработке превышает порядок соседства при машинной обработке в 1.3 раза. По величине отклонения порядка соседства по каждой из частичных карт от среднего значения введен в рассмотрение параметр однородности карты в целом. Выявлена анизотропия порядка соседства, состоящая в различии значений порядка по строкам и по столбцам той же карты. Введен в рассмотрение параметр анизотропии, определяемый разностью между единицей и отношением порядков соседства по строкам и по столбцам. Введен в рассмотрение параметр однородности карты, состоящий в выраженной в процентах величине отклонения параметра анизотропии от среднего значения по карте в целом. Установлено, что параметр анизотропии по сравнению с параметром порядка соседства дает более чувствительный инструмент для определения однородности карты в целом. С использованием той же методики, что для каждой частичной карты, рассмотрен порядок соседства по полной карте. Установлено, что порядок соседства при ручной обработке превышает подобную величину при машинной обработке в 1.33 раза с точностью 0.8 %, что согласуется с аналогичным результатом, полученным при рассмотрении частичных карт. Рассмотрена анизотропия порядка соседства по полной карте. Показано, что применение машинной обработки по сравнению с ручной обеспечивает более точные результаты. Приведены некоторые рекомендации для возможного развития работы, в том числе вариация параметров ячеек первичной и вторичной дискретизации, выявление причины и механизма превышения порядка соседства при ручной обработке над таким же порядком при машинной обработке, исследование степени однородности по нескольким картам одного образца, а также по нескольким образцам из различных месторождений с последующим сопоставлением с электрической проводимостью образцов.

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

Application of second discretization method for analysis of graphene-containing shungite structure on scanning electron microscopy data

The application of the secondary discretization method to analyze the structure of graphene-containing shungite using carbon distribution maps in shungite samples taken by high-resolution scanning electron microscopy is proposed. To analyze the degree of homogeneity of the maps, the method of primary structural discretization by three levels was used, for which the map was divided into cells using a grid overlay with square cells. The determination of the degree of order was carried out by manual and machine methods, after which a comparison of the obtained results was performed. A scheme of hierarchy of degree of order was proposed. Five degrees of order are distinguished. A definition of “neighborhood order” is proposed, which characterizes the degree of change in the homogeneity of the structure at the boundary between neighboring cells. A scheme for calculating the neighborhood order on a map row with subsequent summation over the whole map is proposed. A procedure of secondary map discretization is proposed, which consists in superimposing a new grid including an integer number of primary cells on the primary discretized map. A first-level secondary discretization is performed, resulting in a complete map divided into four partial maps. Based on the processing of the partial maps, it is shown that the neighborhood order in manual processing exceeds the neighborhood order in machine processing by a factor of 1.3. The homogeneity parameter of the map as a whole is introduced according to the deviation of the neighborhood order for each of the partial maps from the average value. Anisotropy of the neighborhood order, consisting in the difference of order values by rows and by columns of the same map, is revealed. The anisotropy parameter, defined by the difference between the unit and the ratio of row and column neighborhood orders, is introduced. The homogeneity parameter of the map is introduced into consideration, which consists in the percentage value of the deviation of the anisotropy parameter from the average value of the map as a whole. It is found that the anisotropy parameter, compared to the neighborhood order parameter, provides a more sensitive tool for determining the homogeneity of the map as a whole. Using the same methodology as for each partial map, the neighborhood order of the full map is examined. It is found that the neighborhood order for manual processing exceeds a similar value for machine processing by a factor of 1.33 with an accuracy of 0.8%, which is consistent with a similar result obtained when considering partial maps. The anisotropy of the neighborhood order over the complete map is considered. It is shown that the use of machine processing compared to manual processing provides more accurate results. Some recommendations for possible development of the work are given, including variation of primary and secondary sampling cell parameters, identification of the cause and mechanism of excess of neighborhood order in manual processing over the same order in machine processing, investigation of the degree of homogeneity over several maps of a single sample, as well as over several samples from different deposits with subsequent comparison with the electrical conductivity of the samples. )

Для цитирования

Антонец И.В., Устюгов В.А., Щеглов В.И. Применение метода вторичной дискретизации для анализа структуры графеносодержащего шунгита по данным растровой электронной микроскопии // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.8.10

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. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. // Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323-332.
  4. Ковалевский В.В. Структура углеродного вещества и генезис шунгитовых пород. // Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Петрозаводск. 2007.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. // ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44-48.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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/10.21883/PJTF.2019.12.47921.17225
  12. 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
  13. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ-свойств шунгитов. Сыктывкар: Изд.СыктГУ. 2017.
  14. 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.
  15. 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
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.01788.2000807i8.0776
  19. 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.
  20. 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).
  21. 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.
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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.
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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