Application of trinary discretization method for structural distribution analysis of carbon in graphene-contained shungite

Abstract

Using the high-permission raster electron microscopy on nano-level the structure distribution of carbon in natural graphene-containing shungite applied for manufacturing adsorbing surfaces is investigated. The analysis is executed in specimens with specific carbon containing about 80-97% and specific conductivity from 2200 to 8600 Sm/m. The results of measuring were the cards of carbon distribution along the specimen surface. It was investigated four specimens and in each specimen was copied five cards in different its points, as a result - twenty cards. It is found the presence on the cards the graphene packets and long graphene ribbons and also domains without clear graphene-similar structure. For the analysis of local carbon distribution, it is proposed the discretization method which consist 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 structure regularization: high, middle and low. For the high level it is typical the regular periodic distribution of graphene layers along the whole square of cell, for middle - explosive character of graphene layers, for low - absence of graphene layers along the whole cell. For individual characteristics of each specimen, it is proposed the concept of order degree which supposed the relative number cells in three levels which is averaged on all its cards. It is found that in typical case the high degree of order presents on 35,4% of card area, middle in 47,3% and low in 17,3% of the same area. By way of possible course of distinction in order level is proposed the specific geological origin of specimens from different depositions.

• carbon
• shungite
• electroconductivity

Аннотация (на русском)

Применение метода тринарной дискретизации для анализа структурного распределения углерода в графеносодержащем шунгите

Методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии на наноуровне выполнено исследование структурного распределения углерода в природном графеносодержащем шунгите, применяемом для изготовления поглощающих покрытий. Анализ выполнялся на образцах с удельным содержанием углерода - порядка 80-97% и удельной проводимостью от 2200 до 8600 См/м. Результатом измерений явились карты распределения углерода по плоскости образца. Исследовались четыре образца, причем по каждому образцу было снято по пять карт в различных его местах, то есть всего - двадцать карт. Отмечено присутствие на картах графеновых пачек и протяженных многослойных графеновых лент, а также областей с отсутствием четкой графеноподобной структуры. Для анализа локального распределения углерода предложен метод дискретизации карт, 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. Для высокого уровня характерно правильное периодическое распределение слоев графена по всей площади ячейки, для среднего - разрывный характер слоев графена, для низкого - отсутствие слоев графена в пределах всей ячейки. Для индивидуальной характеристики каждого образца введено понятие степени порядка, представляющее собой относительное число ячеек трех уровней, усредненное по всем его картам. Установлено, что в типичном случае высокая степень порядка присутствует на 35,4% площади карты, средняя на 47,3% и низкая на 17,3% той же площади. В качестве возможной причины различия по степени порядка отмечено конкретное геологическое происхождение образцов отдельных месторождений.

For citation

References

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 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.
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.