ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Современный рост требований к технологиям мониторинга окружающей среды в режиме реального времени обусловливает необходимость создания высокоэффективных датчиков влажности с коротким временем отклика, высокой чувствительностью и длительной стабильностью работы. Оксид цинка (ZnO) является одним из наиболее перспективных полупроводниковых оксидов благодаря своей химической стабильности, доступности и чувствительности к изменению влажности. Однако для повышения рабочих характеристик ZnO требуется целенаправленная модификация его структурных и электронных свойств. В данном исследовании рассматривается легирование наночастиц ZnO нанографитовым материалом (NGM) с целью улучшения чувствительности и кинетики адсорбционно-десорбционных процессов. Предмет и цель работы. Основной целью работы является разработка ёмкостных датчиков влажности на основе нанокомпозита ZnO-NGM с улучшенными параметрами времени отклика и восстановления, а также с повышенной чувствительностью. Для этого предполагается модифицировать электронные и поверхностные свойства ZnO путём его легирования нанографитовым материалом, что должно способствовать улучшению сенсорных характеристик. Методы исследования. Нанокомпозиты ZnO-NGM с различным массовым содержанием NGM (1, 2, 4, 5 и 10 %) были синтезированы методом химического осаждения. Оптические свойства образцов чистого ZnO изучались с помощью оптической спектроскопии (UV-visible spectroscopy), которая выявила резкий край поглощения при 367 нм, соответствующий ширине запрещённой зоны около 3,3 эВ. Структурные и морфологические характеристики композитов анализировались методами рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), подтвердившими успешную интеграцию NGM в матрицу ZnO и увеличение пористости поверхности. Для изготовления сенсорных элементов на стеклянные подложки с покрытием из фтор-легированного оксида олова (FTO) ножевым устройством наносились композитные пленки. Сенсорные характеристики измерялись в камере с контролируемой атмосферой азота при относительной влажности (RH) от 10 до 95 % в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц. Результаты и обсуждение. Датчик на основе ZnO, легированного 4 % NGM, продемонстрировал оптимальные параметры: время отклика составило 4,0 с, время восстановления – 6,2 с, а чувствительность превзошла показатели остальных исследованных составов. Улучшение функциональных характеристик связано с увеличением удельной поверхностной электропроводности и ускорением кинетики адсорбционно-десорбционных процессов, обусловленных присутствием нанографита, который способствует формированию более пористой и активной поверхности. Разработанные ёмкостные датчики влажности обладают высоким потенциалом для интеграции в современные системы мониторинга окружающей среды в реальном времени, а также в промышленные процессы автоматизации и интеллектуальные системы управления влажностью в бытовых условиях. Введение нанографита в структуру ZnO существенно улучшает сенсорные характеристики датчиков влажности. Нанокомпозит ZnO-NGM с содержанием 4 % нанографита проявляет наилучшие эксплуатационные свойства и является перспективным материалом для создания высокоэффективных датчиков влажности нового поколения.

1. High-performance humidity sensor based on the graphene flower/zinc oxide composite / M. Saqib, S. Ali Khan, H.M. Mutee Ur Rehman, Y. Yang, S. Kim, M.M. Rehman, W. Young Kim // Nanomaterials. –2021. – Vol. 11 (1). – P. 242. – DOI: 10.3390/nano11010242.

2. Stable and fast-response capacitive humidity sensors based on a ZnO nanopowder/PVP-RGO multilayer / H. Yang, Q. Ye, R. Zeng, J. Zhang, L. Yue, M. Xu, Z.-J. Qiu, D. Wu // Sensors. – 2017. – Vol. 17 (10). – P. 2415. – DOI: 10.3390/s17102415.

3. Facile assembly of flexible humidity sensors based on nanostructured graphite/zinc oxide-coated cellulose fibrous frameworks for human healthcare / Z. Ullah, G.M. Mustafa, A.Raza, A. Khalil, A.A. Awadh Bahajjaj, R. Batool, N.I. Sonil, I. Ali, M.F. Nazar // RSC Advances. – 2024. – Vol. 14 (50). – P. 37570–37579. – DOI: 10.1039/D4RA05761A.

4. Hydrophobic multifunctional flexible sensors with a rapid humidity response for long-term respiratory monitoring / Y. Sun, X. Gao, A. Shiwei, H. Fang, M. Lu, D. Yao, C. Lu // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2023. – Vol. 11 (6). – P. 2375–2386. – DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c06162.

5. Fast-speed, highly sensitive, flexible humidity sensors based on a printable composite of carbon nanotubes and hydrophilic polymers / S. Ding, T. Yin, S. Zhang, D. Yang, H. Zhou, S. Guo, Q. Li, Y. Wang, Y. Yang, B. Peng, R. Yang, Z. Jiang // Langmuir. – 2023. – Vol. 39 (4). – P. 1474–1481. – DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02827.

6. Selective encapsulation of ionic liquids in UiO-66-NH₂ nanopores for enhanced humidity sensing / K. Wu, X. Miao, H. Zhao, S. Liu, T. Fei, T. Zhang // ACS Applied Nano Materials. – 2023. – Vol. 6 (10). – P. 9050–9058. – DOI: 10.1021/acsanm.3c01727.

7. Self-powered graphene oxide humidity sensor based on potentiometric humidity transduction mechanism / D. Lei, Q. Zhang, N. Liu, T. Su, L. Wang, Z. Ren, Z. Zhang, J. Su, Y. Gao // Advanced Functional Materials. – 2022. – Vol. 32 (10). – P. 2107330. – DOI: 10.1002/adfm.202107330.

8. A highly sensitive and stable rGO: MoS2-based chemiresistive humidity sensor directly insertable to transformer insulating oil analyzed by customized electronic sensor interface / M.R. Adib, Y. Lee, V.V. Kondalkar, S. Kim, K. Lee // ACS Sensors. – 2021. – Vol. 6 (3). – P. 1012–1021. – DOI: 10.1021/acssensors.0c02219.

9. TiO₂-SnS₂ nanoheterostructures for high-performance humidity sensor / W. Yu, D. Chen, J. Li, Z. Zhang // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (3). – P. 482. – DOI: 10.3390/cryst13030482.

10. Baig M.F.W., Hasany S.F., Shirazi M.F. Green synthesis of nano graphite materials from lemon and orange peel: A sustainable approach for carbon-based materials // Engineering Proceedings. – 2023. – Vol. 46 (1). – P. 42. – DOI: 10.3390/engproc2023046042.

11. Synthesis and characterization of silver–zinc oxide nanocomposites for humidity sensing / E. Dare, B. Adanu?Ogbole, F. Oladoyinbo, F. Makinde, A.O. Uzosike // Nano Select. – 2023. – Vol. 4 (4). – P. 255–262. – DOI: 10.1002/nano.202200106.

12. Synthesis and study of stable and size-controlled ZnO–SiO₂ quantum dots: Application as a humidity sensor / M.A. Mahjoub, G. Monier, C. Robert-Goumet, F. Réveret, M. Echabaane, D. Chaudanson, M. Petit, L. Bideux, B. Gruzza // The Journal of Physical Chemistry C. – 2016. – Vol. 120 (21). – P. 11652–11662. – DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b00135.

13. Heterojunctions of ZnO-nanorod-decorated WO₃ nanosheets coated with ZIF-71 for humidity-independent NO₂ sensing / L. Qian, C. Fang, Y. Gui, K. Tian, H. Guo, D. Guo, X. Guo, P. Liu // ACS Applied Nano Materials. – 2023. – Vol. 6(14). – P. 13216–13226. – DOI: 10.1021/acsanm.3c01955.

14. Sensing performance of nanocrystalline graphite-based humidity sensors / T.Y. Ling, S.H. Pu, S.J. Fishlock, Y. Han, J.D. Reynolds, J.W. McBride, H.M.H. Chong // IEEE Sensors Journal. – 2019. – Vol. 19 (14). – P. 5421–5428. – DOI: 10.1109/JSEN.2019.2905719.

15. Ultrathin glass-based flexible, transparent, and ultrasensitive surface acoustic wave humidity sensor with ZnO nanowires and graphene quantum dots / J. Wu, C. Yin, J. Zhou, H. Li, Y. Liu, Y. Shen, S. Garner, Y. Fu, H. Duan // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2020. – Vol. 12 (35). – P. 39817–39825. – DOI: 10.1021/acsami.0c09962.

16. Dinç Zor S., Cankurtaran H. Impedimetric humidity sensor based on nanohybrid composite of conducting poly (diphenylamine sulfonic acid) // Journal of Sensors. – 2016. – Vol. 2016 (1). – P. 5479092. – DOI: 10.1155/2016/5479092.

17. Enhancement of the humidity sensing performance in Mg-doped hexagonal ZnO microspheres at room temperature / C. Lin, H. Zhang, J. Zhang, C. Chen // Sensors. – 2019. – Vol. 19 (3). – P. 519. – DOI: 10.3390/s19030519.

18. Design of a humidity sensor for a PPE kit using a flexible paper substrate / P. Chaudhary, A. Verma, S. Chaudhary, M. Kumar, M.-F. Lin, Y.-C. Huang, K.-L. Chen, B.C. Yadav // Langmuir. – 2024. – Vol. 40 (18). – P. 9602–9612. – DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c00366.

19. Zinc oxide anchored porous reduced graphene oxide: Electrode material for sensing of ezetimibe / N.P. Agadi, N.L. Teradal, D.H. Manjunatha, J. Seetharamappa // Journal of The Electrochemical Society. – 2024. – Vol. 171 (3). – P. 037513. – DOI: 10.1149/1945-7111/ad2f78.

20. Capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) of ZnO nanostructures gas sensor by adding Au: Pd metal with response to ethanol and acetone vapor / N. Hongsith, S. Chansuriya, B. Yatmontree, S. Uai // Journal of Physics: Conference Series. – 2023. – Vol. 2653 (1). – P. 012062. – DOI: 10.1088/1742-6596/2653/1/012062.

21. Non-crystal-RuO_x/crystalline-ZnO composites: controllable synthesis and high-performance toxic gas sensors / N. Luo, H. Cai, X. Li, M. Guo, C. Wang, X. Wang, P. Hu, Z. Cheng, J. Xu // Journal of Materials Chemistry A. – 2022. – Vol. 10 (28). – P. 15136–15145. – DOI: 10.1039/D2TA02856E.

22. Electrochemical immunosensor for detection of H. pylori secretory protein VacA on g-C₃N₄/ZnO nanocomposite-modified Au electrode / K. Saxena, A. Kumar, N. Chauhan, M. Khanuja, B.D. Malhotra, U. Jain // ACS Omega. – 2022. – Vol. 7 (36). – P. 32292–32301. – DOI: 10.1021/acsomega.2c03627.

23. Zinc oxide-based sensor prepared by modified sol–gel route for detection of low concentrations of ethanol, methanol, acetone, and formaldehyde / R. Dhahri, M. Benamara, K.I. Nassar, E.B. Elkenany, A.M. Al-Syadi // Semiconductor Science and Technology. – 2024. – Vol. 39 (11). – P. 115021. – DOI: 10.1088/1361-6641/ad825e.

24. Hussain S., Hasany S., Ali S.U. Hematite decorated MWCNT nanohybrids: A facile synthesis // Journal of the Chemical Society of Pakistan. – 2022. – Vol. 44 (5). – P. 480–489. – DOI: 10.52568/001121/JCSP/44.05.2022.

25. Doroftei C., Leontie L. Porous nanostructured gadolinium aluminate for high-sensitivity humidity sensors // Materials. – 2021. – Vol. 14 (22). – P. 7102. – DOI: 10.3390/ma14227102.

26. Enhanced acetone gas sensing performance of ZnO polyhedrons decorated with LaFeO₃ nanoparticles / H. Zhang, L. Liu, C. Huang, S. Liang, G. Jiang // Materials Research Express. – 2023. – Vol. 10 (9). – P. 095902. – DOI: 10.1088/2053-1591/acf6f8.

27. Room-temperature benzene sensing with Au-doped ZnO nanorods/exfoliated WSe₂ nanosheets and density functional theory simulations / D. Zhang, W. Pan, L. Zhou, S. Yu // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2021. – Vol. 13 (28). – P. 33392–33403. – DOI: 10.1021/acsami.1c03884.

28. Reversible exsolution of dopant improves the performance of Ca₂Fe₂O₅ for chemical looping hydrogen production / D. Hosseini, F. Donat, P.M. Abdala, S.M. Kim, A.M. Kierzkowska, C.R. Müller // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2019. – Vol. 11 (20). – P. 18276–18284. – DOI: 10.1021/acsami.8b16732.

29. Anodic shock-triggered exsolution of metal nanoparticles from perovskite oxide / W. Fan, B. Wang, R. Gao, G. Dimitrakopoulos, J. Wang, X. Xiao, L. Ma, K. Wu, B. Yildiz, J. Li // Journal of the American Chemical Society. – 2022. – Vol. 144 (17). – P. 7657–7666. – DOI: 10.1021/jacs.1c12970.

30. Photovoltaic and impedance analysis of dye-sensitized solar cells with counter electrodes of manganese dioxide and silver-doped manganese dioxide / W. Shah, R.W. Khwaja, S.M. Faraz, Z.H. Awan, M.H. Sayyad // Engineering Proceedings. – 2023. – Vol. 46 (1). – P. 31. – DOI: 10.3390/engproc2023046031.

31. Printed carbon nanotubes-based flexible resistive humidity sensor / X. Zhang, D. Maddipatla, A.K. Bose, S. Hajian, B.B. Narakathu, J.D. Williams, M.F. Mitchell, M.Z. Atashbar // IEEE Sensors Journal. – 2020. – Vol. 20 (21). – P. 12592–12601. – DOI: 10.1109/JSEN.2020.3002951.

32. Novel copper oxide-integrated carbon paste tirofiban voltammetric sensor / M. Al-Bonayan, J.T. Althakafy, A.Q. Alorabi, N.A. Alamrani, E.H. Aljuhani, O. Alaysuy, S.D. Al-Qahtani, N.M. El-Metwaly // ACS Omega. – 2023. – Vol. 8 (5). – P. 5042–5049. – DOI: 10.1021/acsomega.2c07790.

33. Ultrafast responsive humidity sensor based on roasted gram derived carbon quantum dots: experimental and theoretical study / P. Chaudhary, D.K. Maurya, S. Yadav, A. Pandey, R.K. Tripathi, B.C. Yadav // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2021. – Vol. 329. – P. 129116. – DOI: 10.1016/j.snb.2020.129116.

34. Lee J., Cho D., Jeong Y. A resistive-type sensor based on flexible multi-walled carbon nanotubes and polyacrylic acid composite films // Solid-State Electronics. – 2013. – Vol. 87. – P. 80–84. – DOI: 10.1016/j.sse.2013.05.001.

35. Wearable humidity sensor based on porous graphene network for respiration monitoring / Y. Pang, J. Jian, T. Tu, Z. Yang, J. Ling, Y. Li, X. Wang, Y. Qiao, H. Tian, Y. Yang, T.-L. Ren // Biosensors and Bioelectronics. – 2018. – Vol. 116. – P. 123–129. – DOI: 10.1016/j.bios.2018.05.038.

36. Kumar U., Yadav B.C. Development of humidity sensor using modified curved MWCNT based thin film with DFT calculations // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2019. – Vol. 288. – P. 399–407. – DOI: 10.1016/j.snb.2019.03.016.

37. Fabrication and characterization of an ultrasensitive humidity sensor based on metal oxide/graphene hybrid nanocomposite / D. Zhang, H. Chang, P. Li, R. Liu, Q. Xue // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2016. – Vol. 225. – P. 233–240. – DOI: 10.1016/j.snb.2015.11.024.

38. Ultrahigh humidity sensitivity of graphene oxide / H. Bi, K. Yin, X. Xie, J. Ji, S. Wan, L. Sun, M. Terrones, M.S. Dresselhaus // Scientific Reports. – 2013. – Vol. 3 (1). – P. 2714. – DOI: 10.1038/srep02714.

39. Synthesis and characterizations of exohedral functionalized graphene oxide with iron nanoparticles for humidity detection / K. Kumar, U. Kumar, M. Singh, B.C. Yadav // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. – 2019. – Vol. 30 (14). – P. 13013–13023. – DOI: 10.1007/s10854-019-01663-9.

40. Enhanced performance of a CMOS interdigital capacitive humidity sensor by graphene oxide / C.-L. Zhao, M. Qin, W.-H. Li, Q.-A. Huang // 2011 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. – IEEE, 2011. – P. 1954–1957. – DOI: 10.1109/TRANSDUCERS.2011.5969243.

41. Highly sensitive flexible humidity sensors with fast response and recovery times based on the composite of graphene oxide and WS2 for detection of human breath and fingertip proximity / G. Wang, Q. Gao, N. Ke, F. Si, J. Wang, J. Ding, W. Zhang, X. Fan // Journal of Materials Chemistry C. – 2025. – Vol. 13 (10). – P. 4929–4937. – DOI: 10.1039/D4TC05303F.

42. Wearable CNTs-based humidity sensors with high sensitivity and flexibility for real-time multiple respiratory monitoring / H.-S. Kim, J.-H. Kang, J.-Y. Hwang, U.S. Shin // Nano Convergence. – 2022. – Vol. 9 (1). – P. 35. – DOI: 10.1186/s40580-022-00326-6.