Fabrication, characterization and performance evaluation of zinc oxide doped nanographite material as a humidity sensor

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. The growing demand for real-time environmental monitoring technologies has led to increased interest in high-performance humidity sensors with rapid response, high sensitivity, and long-term stability. Zinc oxide (ZnO) is a widely used semiconducting oxide material for such applications due to its chemical stability and sensitivity to humidity variations. However, its performance can be further enhanced through material engineering. This study investigates the doping of ZnO nanoparticles with nanographite material (NGM) to improve humidity-sensing characteristics. The purpose of the work is to develop ZnO–NGM nanocomposite-based capacitive humidity sensors with improved response/recovery time and sensitivity by modifying the electronic and surface properties of ZnO through NGM doping. Research methods. ZnO–NGM nanocomposites with varying NGM content (1 wt.%, 2 wt.%, 4 wt.%, 5 wt.%, and 10 wt.%) were synthesized via a chemical precipitation route. The optical behavior of pure ZnO was analyzed using UV–Vis spectroscopy, which revealed a sharp absorption edge at 367 nm, indicating a bandgap near 3.3 eV. Structural and morphological properties were examined using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), confirming NGM integration and enhanced surface porosity. The composite sensing films were deposited onto FTO-coated glass substrates using the ‘doctor blade’; method to fabricate the capacitive sensors. The sensing performance was evaluated in a nitrogen-controlled chamber over a relative humidity (RH) range of 10% to 95%, with capacitance measurements recorded across a frequency range of 10 kHz to 1 MHz. Results and discussion. Among all tested compositions, the 4 wt.% NGM-doped ZnO sensor demonstrated the best performance, with a rapid response time of 4.0 s, a recovery time of 6.2 s, and excellent sensitivity. These improvements are attributed to enhanced surface conductivity and more active adsorption-desorption kinetics due to NGM. The developed sensors show strong potential for integration in real-time environmental monitoring systems, industrial automation, and smart home humidity control applications. The incorporation of nanographite into ZnO matrices significantly enhances humidity-sensing capabilities. The ZnO–NGM composite, particularly at 4 wt.% doping, offers a promising pathway for the development of next-generation, high-efficiency humidity sensors.

About the authors

Farrukh Waheed

Department of Computer Science, Usman Institute of Technology University

Email: fwbaig@uitu.edu.pk
ORCID iD: 0009-0004-6527-0965
ResearcherId: ACA-0219-2022

Senior Lecturer

Pakistan, ST-13, Abul Hasan Isphahani Road, Block 7, Gulshan-e-Iqbal, Karachi, 75300, Pakistan

Amtul Qayoom

Department of Chemistry, NED University of Engineering and Technology

Email: amtulq@neduet.edu.pk
ORCID iD: 0000-0003-0149-2177
Scopus Author ID: 36740039700
ResearcherId: A-9371-2016
https://www.researchgate.net/profile/Amtul-Qayoom?ev=hdr_xprf

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

Pakistan, University Road, Karachi, 75270, Pakistan

Muhammad F. Shirazi

Department of Electronic Engineering, NED University of Engineering and Technology

Author for correspondence.
Email: faizanshirazi@neduet.edu.pk
ORCID iD: 0000-0002-4488-8860
Scopus Author ID: 55819156200

Ph.D. (Architectural), Associate Professor

Pakistan, University Road, Karachi, 75270, Pakistan

References

  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-RuOx/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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».