在材料科学研究中，特别是涉及低维材料与氧化物复合的薄膜体系，界面的微观结构与形貌直接影响其宏观光电性能。精确表征薄膜的厚度与表面形貌是连接制备工艺与性能分析的基础环节。Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究采用真空热蒸发技术在柔性PET衬底上制备了非晶ZnO/石墨烯复合膜。结果表明，复合膜在可见光区具有与石墨烯相近的高透光率（约90%），但其电导率介于纯ZnO与石墨烯之间，显著低于预期。通过台阶仪数据、XPS分析与第一性原理计算发现，非晶ZnO中的氧与石墨烯中的碳在界面处形成C=O和C–O–C键，束缚了石墨烯中π电子的自由迁移，从而降低了复合膜的电导性能。该研究从界面化学角度揭示了非晶复合膜光电性能变化的内在机制。

实验与方法

实验方法与技术：（a）真空蒸发镀膜方法及非晶ZnO/石墨烯/PET薄膜的并联电阻示意图；（b）ZnO沉积过程的工艺参数图

计算模型：（a）晶体ZnO/石墨烯界面模型；（b）团簇（非晶）ZnO/石墨烯界面模型

本研究采用台阶仪对沉积在石墨烯/PET柔性衬底上的ZnO薄膜进行厚度测量。仪器探针力设置为0.03 mg，以最小化对柔软聚合物衬底和脆弱石墨烯层的划伤；扫描速度恒定为0.03 mm/s，确保数据的稳定性。样品制备完成后，直接在室温环境下进行测试，无需额外前处理。

测试流程为：在样品表面制造一个掩膜台阶或选择薄膜边缘，使探针跨越薄膜与裸露衬底的边界进行扫描，通过测量高度差确定膜厚，通过轮廓曲线可以清晰读取台阶高度。误差控制主要依赖于仪器的校准与低探针力的选择，此方法获得的厚度数据（40 nm, 75 nm, 160 nm）是后续将样品按厚度分类并进行对比研究的基础。

结果与讨论
基于台阶仪与形貌分析的薄膜结构演化

俯视FESEM图像：（a）裸石墨烯/PET以及在不同电压（95、100和105 V）下蒸发于石墨烯/PET基底上的不同厚度ZnO薄膜：（b）40 nm，（c）75 nm，（d）160 nm；（e）厚度为75 nm的ZnO薄膜的台阶仪扫描图

台阶仪的定量测量为观察薄膜生长模式提供了关键数据。结合扫描电镜（SEM）图像分析发现：当ZnO层厚度为台阶仪测得的40 nm时，薄膜呈疏松、不连续的颗粒状结构；厚度增至75 nm时，转变为相对致密的颗粒堆积；当厚度达到160 nm时，则形成连续且致密的薄膜。这一从“岛状”到“连续”的生长演变过程，与台阶仪所确认的厚度增长直接对应。粗糙度测量（5 nm至77 nm）进一步佐证了该形貌变化。此结构演化背景是理解其光电性能的物理基础。

膜厚与光电性能的关联及异常现象

（a）石墨烯/PET及ZnO（厚度40、75、160 nm）/石墨烯/PET的X射线衍射谱；（b,c）石墨烯/PET的TEM图像及SAED花样；（d,e）ZnO/石墨烯/PET的TEM图像及SAED花样

将台阶仪测得的膜厚与光电性能参数关联后发现：所有厚度的非晶ZnO/石墨烯复合膜均保持了高透光率（~90%），但其电导率却呈现异常。复合膜的面电阻（~5.30–12.70×10² Ω·sq⁻¹）远高于裸石墨烯（1.57×10² Ω·sq⁻¹），载流子浓度（0.13–1.36×10¹⁸ cm⁻³）也大幅低于石墨烯（964×10¹⁸ cm⁻³）。根据简单的并联电阻模型，复合膜的电导率应接近石墨烯，但实际结果显著偏离。这一矛盾提示，在非晶ZnO与石墨烯界面可能存在强烈的电学耦合或散射机制，超越了单纯的物理并联关系。

台阶仪数据支撑的界面化学机制深析

石墨烯/PET及ZnO（厚度40、75、160 nm）/石墨烯/PET的光学透射谱

ZnO/石墨烯/PET薄膜中C、O、Zn元素分布随深度（溅射时间）变化的XPS谱图

（a）石墨烯表面、（b）石墨烯/PET界面、（c）ZnO/石墨烯界面的C1s XPS谱图；（d）石墨烯表面、（e）石墨烯/PET界面、（f）ZnO/石墨烯界面的O1s XPS谱图

台阶仪确认的薄膜连续性是进行有效界面分析的前提。XPS分析表明，仅在致密连续的75 nm和160 nm样品界面处，才能稳定检测到显著的C=O和C-O-C化学键信号。第一性原理计算进一步揭示，非晶ZnO中的氧原子更容易与石墨烯的碳原子成键。这些化学键的形成束缚了石墨烯中承载电导的π电子，导致载流子迁移率下降。台阶仪所区分的“不连续”与“连续”状态，恰好对应了界面键合反应的有效接触面积大小，从而间接影响了整体电学性能下降的显著程度。因此，台阶仪提供的精确厚度与连续性信息，是连接工艺参数（蒸发电压）、薄膜微观结构（连续性）与最终宏观性能（电导率下降）之间逻辑链条不可或缺的一环。

本研究表明通过精确测量薄膜厚度（40 nm, 75 nm, 160 nm）并结合形貌分析，台阶仪数据清晰地揭示了薄膜从非连续到连续生长的结构演化过程。这一结构信息为后续发现界面化学键合机制提供了重要的样品状态依据：致密的薄膜结构促进了ZnO与石墨烯之间的有效接触，从而导致了C=O/C-O-C键的形成和π电子束缚，最终造成复合膜电导率显著低于理论预期。因此，台阶仪应用在材料科学，其对非晶ZnO膜厚与形貌的定量表征，为深刻理解界面化学效应主导光电性能这一主旨提供了坚实可靠的实验基础。

Flexfilm探针式台阶仪

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原文参考：《Interfacial Chemical Effects of Amorphous Zinc Oxide/Graphene》