新型有机半导体重要进展登 Advanced Science，M91 快速霍尔系统捕获微伏级信号，数秒完成精准测量
发布日期：2026-08-28
二酮吡咯并吡咯（DPP）是高性能有机半导体中的核心构筑基元，因其强π‑共轭特性、优异化学稳定性以及可调控的光电特性而备受重视。传统二酮吡咯并吡咯的合成依赖芳香腈前驱体，由此形成了一套经典的分子设计范式：由两侧芳香侧翼基团调控分子能级、堆积方式以及电荷输运性能。尽管对这类侧翼基团的系统性修饰已经大幅提升了材料性能，但该策略本身会限制分子结构的多样性，同时制约材料的功能适配能力，难以满足柔性电子、生物集成器件、多模态响应等新兴技术的需求。
近期相关研究突破了这一传统框架，对二酮吡咯并吡咯的侧翼结构与分子拓扑构型进行重新设计。除了在已有材料体系中催生全新功能外，科研人员还开发出萘基结构、乙烯基连接键、稠合型 DPP 主链等非常规设计策略，以此重塑电子耦合效应与分子间相互作用。这些改性手段拓展了 DPP 材料的应用边界，使其不再局限于传统晶体管与光伏器件，进一步延伸至柔性电子、智能皮肤、（生物）传感平台等领域。
基于上述应用需求，澳大利亚昆士兰科技大学史晓磊和南方科技大学Aung Ko Ko Kyaw等人将侧翼基团工程确立为一套统一的分子设计范式，为 DPP 基半导体搭建起一套完整的结构‑性能‑应用研究框架，为下一代多功能有机电子器件的研发提供普适性的设计思路。该成果以《Flanking-Group Engineering Unlocks Emerging Functionalities in Diketopyrrolopyrrole Semiconductors》为题发表在Advanced Science上[1]。
图1 侧翼基团工程赋予二酮吡咯并吡咯（DPP）基材料各类新兴功能的原理示意图
图2 A) 直接芳基化聚合（DAP）制备得到的聚合物分子结构。(B) 未掺杂聚合物薄膜的态密度 (DOS) 分布。 (C) 通过快速霍尔测试得到的薄膜载流子迁移率。(D) 掺杂后聚合物薄膜的态密度 (DOS) 分布。
本文中，作者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的掺杂后的有机半导体薄膜迁移率进行了表征，测试过程中表现出显著的霍尔效应信号，信号幅值可达数微伏，对应的载流子迁移率为 0.2‑0.7 cm² V⁻¹ s⁻¹，上述结果表明，掺杂的有机半导体薄膜中有相当一部分载流子发生相干输运；费米能级位置的分析结果进一步佐证了这一结论。
一、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，有效解决了传统霍尔测量耗时长和低迁移率测试准确性低的问题。该技术的主要特点是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，从而实现更快速、更精准的霍尔效应测量。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
二、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，包括两种尺寸可选的电磁体（4英寸/7英寸），两种尺寸可选的磁极帽（2英寸/4英寸）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。
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| MCS-EMP电磁体平台 | 电磁体系统控制柜（ESC） |
三、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。
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| 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，MCS-EMP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，MCS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 mm大小的样品卡，不能与50 mm尺寸的样品卡使用。
样品旋转组件
四、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
五、与其他磁体系统联用
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。目前，对于不同类型的磁体系统，均有成熟的解决方案和产品供选择。
1. FastHall Station桌面级M91快速霍尔测试平台
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。
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| 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
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。
参考文献：
[1]. WU X Y, ZHOU S S, LI M, et al. Flanking‑Group Engineering Unlocks Emerging Functionalities in Diketopyrrolopyrrole Semiconductors[J]. Advanced Science, 2026, DOI:10.1002/advs.202604722.
