有機(jī)電子學(xué)思考題與答案1

《有機(jī)電子學(xué)》思考題及答案第一章：引言1.如何使高分子材料具有導(dǎo)電性？摻雜高分子的導(dǎo)電機(jī)制是什么？必須在碳原子之間存在交替的單-雙鍵（π共軛）結(jié)構(gòu)。摻雜導(dǎo)體的本質(zhì)是材料分子中的電子被移出（即氧化）而產(chǎn)生空穴，或者電子被引入（還原）而產(chǎn)生電子，可在材料介質(zhì)中沿分子移動(dòng)，產(chǎn)生導(dǎo)電性。2.什么是有機(jī)材料？還含有鹵素、硫、磷。有機(jī)材料中分子與分子之間主要是通過(guò)范德華力、分子間偶極作用等分子間作用力相結(jié)合。3.根據(jù)復(fù)雜性的不同，請(qǐng)將有機(jī)材料分類，并對(duì)每類材料做簡(jiǎn)要說(shuō)明。有機(jī)*一般分為：小分子、聚合物、生物分子。小分子相對(duì)分子質(zhì)量小于100聚合物相對(duì)分子質(zhì)量一般在10000以上。相對(duì)分子質(zhì)量介于小分子和聚合物之間還存在一種大分子有機(jī)化合物。小(大)分子具有明確的分子量，是單一物質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為：共軛非共軛分子、含金屬元素的有機(jī)金屬配合物、有明確重復(fù)單元的寡聚物、星型化合物、樹(shù)狀物。聚合物也稱高分子，是由碳?xì)溲醯冉M成的結(jié)構(gòu)單元為單體，通過(guò)多次重復(fù)連接而成。一般為混合物，具有分子量分布。固、液、氣狀態(tài)的變化一般不明顯生物分子是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的有機(jī)物。4.與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料相比，簡(jiǎn)述有機(jī)半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)。（1）有機(jī)材料在可見(jiàn)光區(qū)域有很好的吸收特性，消光系數(shù)很大，使得基于這類材料的光檢測(cè)被收集，這就降低了生產(chǎn)工藝中對(duì)材料化學(xué)及結(jié)構(gòu)完美性的要求。收和光折射損失的缺點(diǎn)。（3）有機(jī)半導(dǎo)體中的前沿電子飽和，而非晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料中存在大量的空懸鍵。因此在無(wú)序有機(jī)體系中本征缺陷的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體。（4）有機(jī)材料數(shù)量是無(wú)限的，材料的光電性質(zhì)可以通過(guò)分子結(jié)構(gòu)剪裁來(lái)實(shí)現(xiàn)多樣化。（5）有機(jī)材料的制備及提純工藝簡(jiǎn)單快捷。（6）一些薄膜制備可以在室溫下，通過(guò)廉價(jià)的溶液方法制備，具有與各種類型基板相容性好的特性。5.簡(jiǎn)述有機(jī)半導(dǎo)體材料的與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的差異。（1）結(jié)構(gòu)差異以共價(jià)鍵結(jié)合。通常范德華鍵結(jié)合能比共價(jià)鍵結(jié)合能要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。其次，有機(jī)材料中分子之間的相互作用弱、能級(jí)分立、能帶較窄；無(wú)機(jī)半導(dǎo)體由于原子之間較強(qiáng)的作用，容易形成長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)因而具有較寬的能帶和較窄的能隙。（2）激子差異兩種激子中，電子和空穴之間的束縛力較強(qiáng)，激子半徑較小，且表現(xiàn)出定域性、擴(kuò)散較弱的Wannier激子。（3）載流子差異*載*的遷移率普片低于無(wú)*。（4）一般性物理差異有機(jī)*的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了他們具有低熔點(diǎn)、高壓縮系數(shù)、相對(duì)柔軟、可燃及易溶及界面。6.簡(jiǎn)述有機(jī)分子內(nèi)的主要光電過(guò)程，請(qǐng)基于軌道能級(jí)畫(huà)出相應(yīng)的示意圖。（1）吸收(abs)（2）內(nèi)轉(zhuǎn)換（IC;壽命約為（3）系間竄越（ISC;壽命約為（4）熒光（FL；壽命在1~10ns間）（5）磷光（Ph；壽命大于100ns）（6）非輻射躍遷過(guò)程。單線態(tài)的激子的光輻射產(chǎn)生熒光，來(lái)自于三線態(tài)的激子的光輻射產(chǎn)生磷光。光致發(fā)光、陰極發(fā)光、電致發(fā)光。9.請(qǐng)指出可見(jiàn)光所在的波長(zhǎng)范圍。通常有機(jī)材料的光發(fā)射波長(zhǎng)在可見(jiàn)光區(qū)域（380~780nm）10.請(qǐng)列舉基于有機(jī)活性材料的幾種光電子器件。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管、有機(jī)太陽(yáng)能電池。有機(jī)電致發(fā)光器件、有機(jī)傳感器、有機(jī)存儲(chǔ)器、有機(jī)激光器。第二章：有機(jī)材料中的電子結(jié)構(gòu)和過(guò)程1.簡(jiǎn)述固體物質(zhì)的幾種成鍵方式，并簡(jiǎn)單解釋這些成鍵方式。離子鍵、金屬鍵、共價(jià)鍵、分子鍵。離子鍵指正負(fù)離子間的長(zhǎng)距離庫(kù)倫吸引力，以之結(jié)合的固體通常熔點(diǎn)較高，易碎、低溫下為絕緣體，高溫熔融或溶液狀態(tài)為良導(dǎo)體。金屬鍵也是指正負(fù)電荷通過(guò)庫(kù)倫作用力相結(jié)合的成鍵方式，但負(fù)電荷是離域的、可自由移動(dòng)的自由電子，真電荷粒子為原子核，一般具有導(dǎo)電性好、反射率高、熔點(diǎn)較高、柔性較好等特點(diǎn)。共價(jià)鍵指的是相鄰原子之間公用電子對(duì)的成鍵方式，以之結(jié)合的固體一般易碎、熔點(diǎn)較高，本征導(dǎo)電性不高，但摻雜導(dǎo)電性顯著提高。以上三種成鍵，原子之間以很強(qiáng)的鍵結(jié)合，不存在獨(dú)立分子。分子鍵結(jié)合的材料中，原子之間既包括分子內(nèi)的共價(jià)鍵，又包括分子間的范德華力為主的分子鍵，其柔性好、熔點(diǎn)低、導(dǎo)電性較差等。2.什么是電子軌道？電子云？原子核外電子的特性通常用電子軌道來(lái)描述，它包括電子運(yùn)動(dòng)軌道（即電子云形狀）和電子能量（軌道能級(jí)）兩個(gè)重要的內(nèi)涵。原子內(nèi)的電子通常具有波動(dòng)性，服從測(cè)不準(zhǔn)原理，即運(yùn)動(dòng)的電子沒(méi)有傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌道，其行蹤不定以一定的概率在原子核附近空間出現(xiàn)。電子在原子核周圍出現(xiàn)的幾率的空間分布稱為電子云，反映了電子可能的運(yùn)動(dòng)空間，也稱電子軌道形狀。Sp雜化：一個(gè)2s電子與三個(gè)2p雜化?？臻g對(duì)稱的四面體分布及能量子相同的四個(gè)簡(jiǎn)并軌道，3Sp雜化：一個(gè)2s電子與兩個(gè)2p雜化?？臻g對(duì)稱的平面三角形分布，能量相同的三個(gè)簡(jiǎn)并軌2Sp雜化：一個(gè)2s電子與一個(gè)2p雜化?？臻g對(duì)稱的直線分布的兩個(gè)簡(jiǎn)并軌道，夾角為180度4.碳原子與周圍原子最多可以形成幾個(gè)共價(jià)鍵？2個(gè)碳原子之間最多可以形成幾個(gè)不飽和鍵比較活潑，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；飽和鍵相對(duì)穩(wěn)定。6.請(qǐng)解釋價(jià)電子、σ電子、π電子和n電子。將其軌道能量做大致排序。價(jià)電子：原子相互結(jié)合形成共價(jià)鍵，兩原子間共享的電子稱之。根據(jù)形成類別的不同又可分為σ電子、pi-電子；7.sp3sp3軌道上向sp2雜化的碳原子組成每層按共平面的sp2軌道擴(kuò)展，相鄰C為σ鍵，而2pz軌道重疊成π鍵，層層間有較強(qiáng)的π-π作用。球型富勒烯也由sp2雜化碳原子組成，存在π鍵，由于曲面的要求，sp2軌道不再共平面。金剛石、石墨和富勒烯都是由純粹的碳原子構(gòu)成的。但原子間的成鍵方式不同，導(dǎo)致原子在空間中的取向和堆積不同，也導(dǎo)致不同的材料形狀和性質(zhì)。金剛石無(wú)比堅(jiān)硬、穩(wěn)定，是絕緣體；石墨和富勒烯都具有導(dǎo)電性，而富勒烯由于具有一定的彎曲，其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性都較石墨烯低一些。8.什么是共軛結(jié)構(gòu)？σ鍵將原子結(jié)合在共軛是有機(jī)物中碳原子排列的一種特定形式，即單鍵和雙鍵交替出現(xiàn)。一起，π鍵相互重疊形成離域分子軌道。9.什么是材料的芳香性？的材料通常認(rèn)為具有芳香性。10.簡(jiǎn)述分子軌道理論很多原子的分子中存在大量電子及原子軌道，簡(jiǎn)并程度很高，為簡(jiǎn)化處理多電子系統(tǒng)，將分子中每個(gè)原子的電子軌道結(jié)合在一起考慮，形成分子中的電子軌道，由此發(fā)展為分子軌道理論。該理?xiàng)l件。11.簡(jiǎn)述配位場(chǎng)理論（P42-P43）打?。ǜ剑?2.概括能帶理論的觀點(diǎn)(P43-P45)打印（附）以HOMO和LUMOP48-2.1414.請(qǐng)畫(huà)出示意圖，表達(dá)同一種分子分別在氣態(tài)、稀溶液、晶體、非晶體時(shí)吸收光譜的情況。圖P48-2.1515.解釋最高占據(jù)能級(jí)和最低空置能級(jí)，并指出它們與電子親和能、解離能、導(dǎo)帶、及價(jià)帶的關(guān)系最高占據(jù)能級(jí):F分子的填充軌道中能量最高的能級(jí)，與實(shí)驗(yàn)中電子的解離能相等（LP）；最低空置能級(jí)：分子的空置軌道中能量最低的能級(jí)，與實(shí)驗(yàn)中電子親和能相等（EA）。通常情況下，固體材料中的HOMO和LUMO分別相當(dāng)于價(jià)帶頂端和導(dǎo)帶底端。16.附）17.理論計(jì)算的金屬費(fèi)米能級(jí)約為多少？（P54附）18.解釋名詞概念：電子親和能、解離能、價(jià)帶、導(dǎo)帶、能隙、電荷轉(zhuǎn)移態(tài)、功函數(shù)、P49-5566-68附）19.以HOMO、LUMO為參考能級(jí)，畫(huà)出基態(tài)、第一單線態(tài)、三線態(tài)的能級(jí)示意圖，標(biāo)比相應(yīng)的單線態(tài)低？（圖P65-2.31P65附）20.什么是電子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)？由于分子振動(dòng)，在每一個(gè)電子能級(jí)Sn（n>0）和Tn（n>1）上，疊加有一系列振動(dòng)能級(jí)，從而形成電子的精細(xì)結(jié)構(gòu)。21.什么是熒光和磷光？指出其壽命。（P68附）電子從S1到基態(tài)的光輻射躍遷定義為熒光過(guò)程，所發(fā)出的光為熒光，壽命10~10秒范圍；-9-6電子從T1到基態(tài)的光輻射躍遷為磷光過(guò)程，所發(fā)出的光為磷光，壽命為10~20秒范圍。-622.什么是Davydov射單晶材料得到的吸收光譜，往往可以檢測(cè)到Davydov能級(jí)分裂？（P69-73）23.什么是基激二聚物與基激締合物?（P76;P78）24.由兩個(gè)能量較低的激子結(jié)合，形成一個(gè)能量較高的激子和一個(gè)基態(tài)分子S0的過(guò)程為稱聚變。裂變。25.一個(gè)分子被光激發(fā)的概率可表示為：vlRM2222lueleuvuslsu請(qǐng)指出各部分的含義，以及能夠發(fā)生光躍遷的條件。(P82-83)26.什么是Franck-Condon因子？請(qǐng)闡述Franck-Condon原理。(P83-84)27.借助如下示意圖，簡(jiǎn)單闡述Einstein方程的內(nèi)容。(P84-86)28.子產(chǎn)率。分別說(shuō)明光致熒光和磷光發(fā)光的發(fā)光量子產(chǎn)率的最大值及相應(yīng)原因。（P88-90）29.31.請(qǐng)指出Frster什么是?rster能量傳遞/轉(zhuǎn)移？什么是Dexter能量傳遞/轉(zhuǎn)移？指出該能量傳32.9000133.根據(jù)?rster能量傳遞/轉(zhuǎn)移速率公式2F()()d，K4128nNFET54R6DA00DA闡述影響?rster34.給出有機(jī)材料中激子擴(kuò)散長(zhǎng)度與激子壽命的公式，對(duì)參數(shù)加以解釋，估計(jì)有機(jī)材料中激子擴(kuò)散長(zhǎng)度。L=(ZDτ)其中Z=6、4、2分別代表三維、二維和一維激子擴(kuò)散情形，用于估算時(shí)Z通常取1.D為擴(kuò)散系數(shù)，τ為激子壽命。在有機(jī)材料中，激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度在幾百個(gè)之內(nèi)。35.給出靜電復(fù)印的功能結(jié)構(gòu)層，指出其中的有機(jī)材料及其作用。結(jié)合示意圖，簡(jiǎn)述靜電復(fù)印的工作原理。（P117附）36.將材料根據(jù)導(dǎo)電性的不同進(jìn)行分類，并指出每一類的能隙特點(diǎn)。根據(jù)導(dǎo)電性的不同，可將材料分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、超導(dǎo)體四類。從能帶理論角度，能隙>5eV的材料通常稱為絕緣體，能隙在0.1~3eV范圍的材料通常為半導(dǎo)體，導(dǎo)帶能隙比較模糊。36.附）37下圖是n-型摻雜半導(dǎo)體的載流子密度和能級(jí)隨溫度的變化曲線，分別對(duì)載流子密P