霍爾效應（Hall effect）由美國物理學家埃德溫·赫伯特·霍爾（Edwin Herbert Hall）在1879年發現。霍爾效應是指當固體導體放置在一個磁場內，且有垂直電流通過時，導體內的電荷載流子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生電壓（霍爾電壓）的現象。
霍爾效應測量系統是一種基于霍爾效應原理，用于表征材料電輸運性質的測量設備，可有效表征霍爾系數、電阻率、遷移率、載流子濃度等。近期，美國著名低溫設備制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.推出的全新MCS-EMP霍爾效應測量系統搭載了自主研發的M91快速霍爾測量模塊，與傳統的霍爾效應系統相比，測試速度可提升100倍，從根本上改變了霍爾效應的測量方式，且在測量過程中無需翻轉磁場，尤其對使用強磁場超導磁體或測量極低遷移率材料時，可以實現更快、更精確的測量。
搭載M91快速測量模塊的MCS-EMP霍爾效應系統
一、M91快速霍爾測量模塊
目前，越來越多前沿的材料諸如光伏材料（太陽能電池材料）、熱電材料、有機材料都表現較低的遷移率，對于這類低遷移率（10-3 cm2/v s）材料的測量需求愈加迫切。傳統的霍爾效應測量系統采用DC/AC模式進行測量，DC模式無法測量低遷移率的材料，AC模式雖然可以測量低遷移率材料，但由于測試過程中需要交流磁場積分運算，耗時甚多。耗時長也會導致樣品產生熱量影響測量結果。
全新一代M91快速霍爾測量模塊采用了Lakeshore的快速霍爾測量技術，有效解決了傳統霍爾測量耗時長和低遷移率測試準確性低的問題。該技術的主要特點是從根本上改變了霍爾效應的測量方式，無需進行磁場極性的切換，從而實現更快速、更精準的霍爾效應測量。這項技術的加持下，M91快速霍爾測量模塊可以適配于各種類型的磁體（永磁體、電磁體、超導磁體）和系統使用，并且都有成熟的解決方案。
M91快速測量模塊
M91測試模塊與傳統霍爾測試對比表
| | M91快速霍爾技術 | 傳統DC模式 | 傳統AC模式 |
| 消除磁場反轉 | 可消除 | 無法消除 | 無法消除 |
| 最丶低可測遷移率 | 10-3 cm2/v s | 1 cm2/v s | 10-3 cm2/v s |
| 磁體適配性及測試速度 | 永磁體：快 | 永磁體：慢 | 永磁體：不適用 |
| 電磁體：快 | 電磁體：慢（較高磁場時） | 電磁體：慢（測低遷移率時） |
| 超導磁體：快 | 超導磁體：很慢 | 超導磁體：不適用 |
二、MCS-EMP電磁體平臺
Lakeshore全新一代的霍爾效應系統采用其自主研發生產的MCS-EMP電磁體平臺提供背景磁場。MCS-EMP多用途電磁鐵平臺提供了自動化可變磁場實驗所需的所有基本組件，包括兩種尺寸可選（4英寸/7英寸）的電磁體，兩種尺寸可選（2英寸/4英寸）的磁極帽和磁體底座、以及電磁體系統控制柜。根據需要，還可以選配光學接口。
電磁體系統控制柜中的各個組件也均由Lakeshore自主研發生產，包括643/648型高可靠性線性磁體電源、F71型多軸高斯計和單軸磁場監測探頭，以及功能強大的專用MeasureLINK-MCS操作軟件和儀器控制臺。
（左）MCS-EMP電磁體平臺 （右）電磁體系統控制柜（ESC）
三、樣品組件
樣品組件由樣品腔和樣品卡組成。樣品腔內部設有高性能樣品插件，用于與樣品卡物理安裝和電氣連接。根據系統配置的不同，插件包括 8 個三軸連接器，用于為樣品提供保護信號，以進行電阻測量（最高可達 200 GΩ）。其圓形連接器包含溫度監控導線、插入件標識和安全聯鎖，確保了測試的準確性和穩定性。
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| 樣品組件（左）和樣品插件（右） | 室溫樣品腔（左）和光學室溫樣品腔（右） |
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| 樣品組件頂部與三軸線纜連接 | 樣品組件底部與樣品卡連接 |
根據不同類型和尺寸的樣品，MCS-EMP霍爾效應系統同樣提供了不同類型樣品卡供選擇。根據類型不同分為探針式樣品卡和焊盤式樣品卡；根據尺寸不同有10 mm和50 mm兩種尺寸可選，50 mm只有探針式樣品卡。
10mm探針樣品卡（左）、10mm焊盤式樣品卡（中）、50mm探針式樣品卡（右）
為了滿足角度測量需求，MCS電磁體平臺同樣配備了樣品旋轉組件。EMP-HP-ROTATE 樣品旋轉選件為 MCS-EMP 電磁體平臺增加了0°至360°手動樣品旋轉功能。該組件作為樣品腔的選件，也可以與變溫選件聯用。樣品旋轉組件適用于 10 毫米大小的樣品卡，不能與50mm尺寸的樣品卡使用。
樣品旋轉組件
四、變溫選件
除了室溫測量外，MCS-EMP霍爾系統同樣提供高溫和低溫選件實現變溫測量。
低溫選件采用閉循環制冷機方式和低溫專用樣品卡實現10K-400K的變溫測量。
使用閉循環制冷機的電磁體平臺和低溫專用樣品卡
高溫選件采用采用高溫爐選件和高溫專用樣品卡，可實現室溫到1273K的高溫測量。目前市面上的霍爾效應系統，只有搭配MCS-EMP電磁體平臺和高溫選件的霍爾效應系統才能達到1273K的最高測量溫度。
使用高溫爐選件的電磁體平臺和高溫專用樣品卡
五、與其他磁體系統聯用
M91快速霍爾測量技術，由于測量過程中磁極不需要反轉，使得其可以有效適配于各種類型的磁體和系統。目前，對于不同類型的磁體系統，均有成熟的解決方案和產品供選擇。
1. FastHall Station桌面級M91快速霍爾測試平臺
Lakeshore的桌面級M91快速霍爾測試平臺FastHall Station是由M91快速霍爾測量模塊與1.0T的永磁體組合使用進行霍爾測量。它同時還有室溫和77K單點溫度選件可選。
（左）FastHall Station桌面級M91霍爾測試平臺 （右）77K單點溫度選件
2. 與PPMS系統聯用
M91快速測試模塊可以與Quantum Design的綜合物性測量系統（PPMS）進行聯用，由PPMS提供變溫和磁場環境，M91完成霍爾測量。目前，PPMS的兩個型號Dynacool和VersaLab均有成熟的解決方案。
M91 FastHall測試模塊與PPMS系統聯用
3.與其他磁體定制
除了現有的解決方案外，M91快速霍爾測量模塊也可以根據需求，與其他品牌的磁體和恒溫器或者客戶現有的磁場和溫度環境結合使用。如有上述定制化的使用需求，可以聯系我們溝通解決方案。
關于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：
美國Lake Shore公司（www.lakeshore。。ｃｏｍ）是著名的極丶端溫度和磁場條件下高精度測量和控制解決方案的創新者。主要產品包括低溫探針臺、振動樣品磁強計、霍爾效應測量系統、M81同步源測量系統、Janis系列低溫恒溫器、低溫控溫儀、低溫溫度傳感器、高斯計及霍爾傳感器等。Lake Shore公司一直致力于推動科學發展，其產品解決方案不斷創新，應用領域從物理實驗室到深太空科學探索不斷發展。
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