ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 192 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ления влаги. Результаты измерений представлены в табл. 1. Нелегированный ZnO демонстрировал время отклика 5,0 с и время восстановления 7,0 с. Легирование NGM привело к значительному улучшению динамических характеристик. В частности, датчик с 4 % ZnO-NGM продемонстрировал оптимальное сочетание короткого времени отклика (4,0 с) и времени восстановления (6,2 с). Это свидетельствует об улучшенной кинетике процессов адсорбции и десорбции молекул воды, обусловленной синергетическим эффектом пористой структуры ZnO и высокой электропроводности NGM, обеспечивающей эффективный перенос заряда. Однако при увеличении концентрации NGM (≥ 5 %) наблюдалось возрастание времени отклика и времени восстановления. Например, датчик с 10 % ZnO-NGM характеризовался более длительным временем отклика (6,0 с) и временем восстановления (8,0 с), что, вероятно, связано с агломерацией наночастиц NGM. Агломерация приводит к уменьшению количества активных центров адсорбции и затрудняет диффузию молекул воды. Это снижает скорость отклика датчика, несмотря на высокую чувствительность по ёмкости. Зависимость изменения ёмкости датчиков от относительной влажности при различных концентрациях легирующей примеси NGM представлена на рис. 8, а. Чистый ZnO демонстрировал базовую чувствительность, составляющую 18,5 пФ/% RH. Введение NGM существенно Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Влияние легирования нанографитовым материалом (NGM) на чувствительность по ёмкости, время отклика и время восстановления датчиков влажности на основе ZnO Eff ect of NGM doping on capacitance sensitivity, response time, and recovery time of ZnO-based humidity sensors Концентрация NGM / NGM Doping Чувствительность по ёмкости, пФ/% RH / Capacitance sensitivity (pF/% RH) Время отклика, с / Response time (s) Время восстановления, с / Recovery time (s) 0 % (чистый ZnO) / 0 % (pure ZnO) 18,5 5 7 1 % 25,2 4,8 6,9 2 % 38,7 4,5 6,9 4 % 47,3 4,0 6,2 5 % 53,9 4,2 6,6 7 % 56,8 4,4 6,6 10 % 62,1 6 8 улучшило чувствительность датчиков. Хотя максимальная чувствительность (62,1 пФ/% RH) была достигнута при концентрации NGM 10 %, это сопровождалось ухудшением динамических характеристик (увеличением времени отклика и времени восстановления). Датчики с 4 и 5 % ZnO-NGM обеспечили наилучший компромисс между высокой чувствительностью и приемлемым временем отклика/восстановления, что делает их наиболее перспективными кандидатами для применения в системах мониторинга влажности в реальном времени. Для анализа характеристик в реальном времени было исследовано поведение отклика и восстановления датчика влажности на основе ZnO-NGM (рис. 8, б). Наилучшие значения времени отклика (4,0 с) и времени восстановления (6,2 с) были получены при 4%ZnO-NGM, что обусловлено синергией между большой площадью поверхности ZnO и превосходными свойствами NGM по переносу заряда. При концентрации легирующей примеси выше 5 % характеристики ухудшались, поскольку агломерация NGM уменьшала количество активных центров адсорбции и затрудняла подвижность электронов. При концентрации легирующей примеси 10 % время отклика и время восстановления увеличивались до 6,0 и 8,0 с соответственно. Итак, контролируемое легирование ZnO нанографитовым материалом (NGM) позволяет существенно улучшить характеристики датчиков влажности на основе ZnO, нивелируя недостатки, присущие традиционным датчикам на основе
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1