Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 4 · ELECTRODYNAMICS

Investigation of structure and electrical properties of graphene-containing shungite by the data of X-ray spectrum analysis

I.V. Antonets1,2, E.A. Golubev3,4, V.G. Shavrov5, V.I. Shcheglov5

1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, Syktyvkar, Russia
2 Syktyvkar State University of Sorokin, Russia
3 Институт геологии Коми НЦ Уро РАН, Syktyvkar, Russia
4 Geology Institute of Komy SC UrD RAS, Russia
5 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.4.1 UDC 537.874; 537.624 EDN LABGYG

Abstract

The possibility of structure properties investigation of graphene-contained shungite by using the element-cards which is founded by x-ray-spectrum analysis is investigated. For the founding of data about carbon space distribution it is proposed to use the blacking profile of card received along one straight line. It is found the profiles of carbon and quarts distribution where quarts is combination of silicon and oxygen. It is established the mutual addition of carbon and quarts profiles which has independence from frequency. It is executed the harmonic analysis of carbon distribution along the coordinate which length is equal to 30 micrometers. On the basis of obtained spectrum it is found two character dimensions of carbon and quarts regional congestions by both ingredients are equal to 9,2 micrometers and 2,1-2,7 micrometers. For more precise determination of regions it is proposed to use the relative values of amplitudes by all harmonics each separately. It is established that the distribution of regions by dimensions has probable character. It is found the sum probabilities of carbon and quarts. It is shown that the main role in carbon and quarts distribution plays the harmonics which correspond to region dimension equal to 15,0, 7,5 and 5,0 micrometers. For the interpretation of obtained results it is proposed the model of periodical space structure of shungite which is opposite to earlier proposed model «sand with liquid». It is made the analysis of spatial distribution of carbon and quarts in unique elementary cell of proposed structure. It is shown that by volume distribution the carbon forms 17,6% from complete of investigated sample volume. This value is in good correspondence with specific concentration of carbon which is founded by coulomb-metric titration method which is equal to 17%. On the basis of obtained results it is proposed the recommendations fore more successful of harmonic analysis method of x-ray spectroscopy cards to the task of spatial structure of shungite investigation.

  • углерод
  • шунгит
  • электрическая проводимость
  • carbon
  • shungite
  • electrical conductivity
Аннотация (на русском)

Исследование структурных и электрических свойств графеносодержащего шунгита по данным рентгеноспектрального элементного анализа

Рассмотрена возможность исследования структурных свойств графеносодержащего шунгита на основе анализа элементных карт, полученных методом рентгеноспектрального анализа. Для получения данных о структуре распределения углерода предложено использовать профиль почернения карты, снятый по одной прямой линии. Получены профили распределения углерода и кварца как соединения кремния и кислорода. Установлена взаимная дополнительность профилей для углерода и кварца, не зависящая от координаты. Выполнен гармонический анализа распределения углерода и кварца по координате для профиля длиной 30 мкм. На основе полученных спектров выявлены два характерных размера областей скопления углерода и кварца, по обеим составляющим равные 9,2 мкм и 2,1-2,7 мкм. Для более точного установления размеров областей предложено использовать относительные величины амплитуд по каждой гармонике в отдельности. Отмечено, что распределение областей по размеру носит вероятностный характер. Найдены вероятностные суммы углерода и кварца. Показано, что главную роль в распределении углерода и кварца играют гармоники, соответствующие размерам областей 15,0, 7,5 и 5,0 мкм. Для интерпретации полученных результатов предложена модель периодической пространственной структуры шунгита, обратная предложенной ранее модели «песок с жидкостью». Выполнен анализ пространственного распределения углерода и кварца в одной элементарной ячейке предложенной структуры. Показано, что в пересчете на объемное распределение углерод составляет 17,6 % от общего объема исследованного образца, что хорошо согласуется с удельной концентрацией углерода, полученной методом кулонометрического титрования, равной 17,0%. На основе полученных результатов предложены рекомендации для более успешного применения метода гармонического анализа карт рентгеновской спектроскопии в задаче исследования пространственной структуры шунгита.

For citation

Antonets I.V., Golubev E.A., Shavrov V.G., Shcheglov V.I. Investigation of structure and electrical properties of graphene-containing shungite by the data of X-ray spectrum analysis // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.4.1

References

  1. Луцев Л.В., Николайчук Г.А., Петров В.В., Яковлев С.В. Многоцелевые радиопоглощающие материалы на основе магнитных наноструктур: получение, 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. Островский О.С., Одаренко Е.Н., Шматько А.А. Защитные экраны и поглотители электромагнитных волн. // Физическая инженерия поверхности. 2003. Т.1. №2. С.161.
  4. Антонов А.С., Панина Л.В., Сарычев А.К. Высокочастотная магнитная проницаемость композитных материалов, содержащих карбонильное железо. // ЖТФ. 1989. Т.59. №6. С.88.
  5. Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов. М.: УРСС. 2001.
  6. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот. // ЖТФ. 2013. Т.83. №1. С.3.
  7. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. №18. P.4184.
  8. Pendry J.B. Negative refraction makes a perfect lens. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.85. №18. P.3966.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Лыньков Л.М., Борботько Т.В., Криштопова Е.А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита. // ПЖТФ. 2009. Т.35. №9. С.44.
  12. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск: Карелия. 1956.
  13. Филиппов М.М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН. 2002.
  14. Соколов В.А., Калинин Ю.К., Дюккиев Е.Ф. (ред.). Шунгиты - новое углеродистое сырье. Петрозаводск: Карелия. 1984.
  15. Филиппов М.М., Медведев П.П., Ромашкин А.Е. О природе шунгитов Южной Карелии. // Литология и полезные ископаемые. 1998. №3. С.323.
  16. 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.
  17. Ковалевский В.В. Структура углеродного вещества и генезис шунгитовых пород. Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. Петрозаводск. 2007.
  18. Ковалевский В.В. Структура шунгитового углерода. // Журнал неорганической химии. 1994. №39. С.28.
  19. Шека Е.Ф., Голубев Е.А. О техническом графене - восстановленном оксиде графена - и его природном аналоге - шунгите. // ЖТФ. 2016. Т.86. №7. С.74.
  20. 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.
  21. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И. Модельные представления микроструктуры, электропроводящих и СВЧ свойств шунгитов. Сыктывкар: Изд.СыктГУ. 2017.
  22. Родионов В.В. Механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродсодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Курск. 2014.
  23. 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.
  24. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза: Изд. ПГУ. 2018.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. Golubev E.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.
  29. Антонец И.В., Котов Л.Н., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость аморфных наногранулированных пленок в диапазоне сверхвысоких частот. // ПЖТФ. 2014. Т.40. №14. С.1.
  30. Антонец И.В., Котов Л.Н., Кирпичева О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Статическая и динамическая проводимость аморфных наногранулированных композитов «металл-диэлектрик». // РЭ. 2015. Т.60. №8. С.839.
  31. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Особенности формирования статической и динамической проводимости композиционной пленки, содержащей наногранулы металла в диэлектрической матрице. // РЭ. 2014. Т.59. №9. С.882.
  32. Антонец И.В., Власов В.С., Котов Л.Н., Кирпичева О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Статическая и динамическая проводимость наногранулированных пленок «металл-диэлектрик» // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2016. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may16/10/text.pdf.
  33. Антонец И.В., Котов Л.Н., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость наногранулированных пленок «металл-диэлектрик» в диапазоне сверхвысоких частот. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may18/7/text.pdf.
  34. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние структурных параметров шунгита на его электропроводящие свойства. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may17/11/text.pdf.
  35. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Модельное представление микроструктуры, проводимости и СВЧ свойств графеносодержащего шунгита. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep17/8/text.pdf.
  36. 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.
  37. Гоулдстейн Д., Яковиц Х. (ред.). Практическая растровая электронная микроскопия. М.: Наука. 1978.
  38. Юшкин Н.П. Глобулярная надмолекулярная структура шунгитов: данные растровой туннельной микроскопии. // Доклады АН. 1994. Т.337. №6, С.800.
  39. Голубев Е.А. Электрофизические свойства и структурные особенности шунгита (природного наноструктурированного углерода). // ФТТ. 2013. Т.55. №5. С.995.
  40. Голубев Е.А. Надмолекулярные структуры природных рентгеноаморфных веществ. Екатеринбург. УроРАН. 2006.
  41. Golubev E.A., Kovaleva O.A., Yushkin N.P. Observations and morphological analysis of super-molecular structure of natural bitumens by atomic force microscopy. // Fuel. 2008. V.87. №1. P.32.
  42. Голубев Е.А. Глобулярное строение высших антраксолитов по данным сканирующей зондовой микроскопии. // Доклады АН. 2009. Т.425. №4. С.519.
  43. 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 [электронный журнал].2018. №8. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/aug18/5/text.pdf.
  44. 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. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018, №8. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/aug18/6/text.pdf.
  45. 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. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep18/1/text.pdf.
  46. Харкевич А.А. Основы радиотехники. М:.Физматлит. 2007.
  47. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио. 1964.
  48. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь. 1986.
  49. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1973.
  50. Романовский П.И. Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа. М.: Наука. 1964.
  51. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Основы математического анализа. М.: Наука. 1965.
  52. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т.1-3. М.,Л.: Гостехиздат. 1951.
  53. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука. 1964.