M91快速霍尔测试技术助力Adv. Fun. Mat.！解锁聚合物掺杂低迁移率材料研究密码

共轭聚合物凭借其特有的光学、电学和化学性质，在众多领域得到了广泛应用。通常，化学掺杂和重复掺杂为控制掺杂水平提供了有效的解决方案，能够根据特定应用需求，定制共轭聚合物的性能，进而在各种有机器件中实现较优性能。在这种应用场景下，高掺杂的导电聚合物在可见光波长区域具有高导电性和透明度，因此可作为透明导体应用于光学电子器件中。

然而，并非所有的应用都需要高掺杂的共轭聚合物。以太阳能电池为例，需要对导电聚合物电荷传输层的掺杂水平进行适当调整，使其与相邻层的能量相匹配，以促进有效的电荷传输；在有机热电热材料中，功率因数的优劣取决于塞贝克系数和电导率，所以需要优化掺杂水平，以实现器件性能的最大化。

近期，来自普渡大学的Jianguo Mei课题组成功制备了一种高导电性的N型共轭聚合物——聚苯并二呋喃二酮（n-PBDF）。通过去掺杂和再掺杂的处理，该课题组实现了对这种聚合物掺杂水平的精确调控，有针对性地改善了其电学、光学和能量学特性。这些特性在有机电化学晶体管和热电材料等领域具有潜在的应用价值。该成果以《Controlled Dedoping and Redoping of N-Doped Poly(benzodifurandione) (n-PBDF)》为题发表在Advanced Functional Materials上^[1]。

图1 N型PDBF去掺杂与再掺杂化学合成工艺图

本文中，研究人员通过美国知名低温设备制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.的M91快速霍尔测量模块，对不同掺杂水平聚合物的迁移率和载流子浓度进行了表征，获得了掺杂前后0.94和0.098 cm²/V s的低迁移率数据，为整个研究提供了关键的数据支撑。

Lake Shore 作为美国知名低温设备制造商，研发推出的全新霍尔效应测量系统，可根据测试需求，搭载其自主研发基于交直流模式测量的新一代多通道高精度低噪声综合电学测量模块M81-SSM或采用专利（专利号：9797965和10073151）快速霍尔技术的M91快速霍尔测试模块，有效实现了测量速度和精度的双重提升。

搭载M81/M91测量模块的霍尔效应测量系统

一、新一代多通道高精度低噪声综合电学测量仪M81-SSM

基于M81同步源测量模块的霍尔效应测试系统是LakeShore 8400系列霍尔效应测试系统的全新升级，噪声改善提升了2倍。该模块巧妙地结合了直流和交流场测量功能的优点，创新性的采用DC+AC的输出方式，将迁移率测量范围扩展至 0.001 cm²/V s。该模块针对小信号科学研究实验有更多优化，测量更精准。整个模块一体化程度高，配置有信号激励源、测量模块和锁相滤波的整体解决方案，无需多个仪表混合输出，面板操作直观，简单易上手。

M81同步源测量模块

二、M91快速霍尔测量模块

全新一代M91快速霍尔测量模块采用了Lakeshore专利（专利号：9797965和10073151）的快速霍尔测量技术，主要针对低迁移率材料诸如光伏材料（太阳能电池材料）、热电材料、有机材料等的测量。传统测量模式下，DC无法测量低迁移率，而AC模式下耗时甚久，M91的快速霍尔技术有效解决了上述问题。这一全新技术从根本上改变了霍尔效应的测量方式，无需进行磁场极性的切换，使得DC场下测量速度极快，在某些情况下可将分析时间缩短数十倍。大多数常用材料的测量在几秒钟内即可完成分析。即使是极高电阻（高达200GΩ）或低迁移率（~0.001 cm²/V s）的样品一般也能在几分钟内完成。此外，在这项技术的加持下，M91快速霍尔测量模块可以适配于各种类型的磁体（永磁体、电磁体、超导磁体）和系统使用，并且都有成熟的解决方案。

M91快速测量模块

M91测试模块与传统霍尔测试对比表

三、多功能电磁体平台

Lakeshore全新一代的霍尔效应系统采用其自主研发生产的MCS-EMP电磁体平台提供背景磁场。MCS-EMP多用途电磁铁平台提供了自动化可变磁场实验所需的所有基本组件，包括两种尺寸可选（4英寸/7英寸）的电磁体，两种尺寸可选（2英寸/4英寸）的磁极帽和磁体底座、以及电磁体系统控制柜。根据需要，还可以选配光学接口。

电磁体系统控制柜中的各个组件也均由Lakeshore自主研发生产，包括643/648型高可靠性线性磁体电源、F71型多轴高斯计和单轴磁场监测探头，以及功能强大的专用MeasureLINK-MCS操作软件和仪器控制台。

多功能电磁体平台	电磁体系统控制柜（ESC）

四、样品组件

样品组件由样品腔和样品卡组成。样品腔内部设有高性能样品插件，用于与样品卡物理安装和电气连接。根据系统配置的不同，插件包括 8 个三轴连接器，用于为样品提供保护信号，以进行电阻测量（最高可达 200 GΩ）。其圆形连接器包含温度监控导线、插入件标识和安全联锁，确保了测试的准确性和稳定性。

样品组件（左）和样品插件（右）	室温样品腔（左）和光学室温样品腔（右）
样品组件顶部与三轴线缆连接	样品组件底部与样品卡连接

根据不同类型和尺寸的样品，霍尔效应系统同样提供了不同类型样品卡供选择。根据类型不同分为探针式样品卡和焊盘式样品卡；根据尺寸不同有10 mm和50 mm两种尺寸可选，50 mm只有探针式样品卡。

10mm探针样品卡（左）、10mm焊盘式样品卡（中）、50mm探针式样品卡（右）

为了满足角度测量需求，电磁体平台同样配备了样品旋转组件。EMP-HP-ROTATE 样品旋转选件为 MCS-EMP 电磁体平台增加了0°至360°手动样品旋转功能。该组件作为样品腔的选件，也可以与变温选件联用。样品旋转组件适用于 10 毫米大小的样品卡，不能与50mm尺寸的样品卡使用。

样品旋转组件

五、变温选件

除了室温测量外，MCS-EMP霍尔系统同样提供高温和低温选件实现变温测量。

低温选件采用闭循环制冷机方式和低温专用样品卡实现10K-400K的变温测量。

使用闭循环制冷机的电磁体平台和低温专用样品卡

高温选件采用采用高温炉选件和高温专用样品卡，可实现室温到1273K的高温测量。目前市面上的霍尔效应系统，只有搭配MCS-EMP电磁体平台和高温选件的霍尔效应系统才能达到1273K的最高测量温度。

使用高温炉选件的电磁体平台和高温专用样品卡

系统支持LakeShore的Janis恒温器与电磁体联用，实现高低温一体化变温的霍尔测量。

六、与其他磁体系统联用

1. FastHall Station桌面级M91快速霍尔测试平台

M91快速霍尔测量技术，由于测量过程中磁极不需要反转，使得其可以有效适配于各种类型的磁体和系统。Lakeshore的桌面级M91快速霍尔测试平台FastHall Station是由M91快速霍尔测量模块与1.0T的永磁体组合使用进行霍尔测量。它同时还有室温和77K单点温度选件可选。

FastHall Station桌面级M91霍尔测试平台	77K单点温度选件

2. 与PPMS系统联用

M81/M91快速测试模块可以与Quantum Design的综合物性测量系统（PPMS）进行联用，由PPMS提供变温和磁场环境，M91完成霍尔测量。目前，PPMS的两个型号DynaCool和VersaLab均有成熟的解决方案。

M91 FastHall测试模块与PPMS系统联用

3.与其他磁体定制

除了现有的解决方案外，M91快速霍尔测量模块也可以根据需求，与其他品牌的磁体和恒温器或者客户现有的磁场和温度环境结合使用。如有上述定制化的使用需求，可以联系我们沟通解决方案。

关于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：

美国Lake Shore公司（www.lakeshore.com）是知名的极端温度和磁场条件下高精度测量和控制解决方案的创新者。主要产品包括低温探针台、振动样品磁强计、霍尔效应测量系统、M81同步源测量系统、Janis系列低温恒温器、低温控温仪、低温温度传感器、高斯计及霍尔传感器等。Lake Shore公司一直致力于推动科学发展，其产品解决方案不断创新，应用领域从物理实验室到深太空科学探索不断发展。