有機(jī)電子學(xué)思考題及答案1

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（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？ 所謂有機(jī)材料，通常指由碳?xì)溲醯獛追N元素以共價(jià)鍵形式構(gòu)成的分子材料，少數(shù)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)每類材料做簡要說明。 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

2、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. 與無機(jī)半導(dǎo)體材料相比，簡述有機(jī)半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)。 （1）有機(jī)材料在可見光區(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)器以及光伏器件的活性層可

3、以很薄。因此通過激光產(chǎn)生的能量不必穿過很長的距離就可以被檢測(cè)或被收集，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。 （2）很多熒光有機(jī)染料表現(xiàn)出比其他吸收光譜大大紅移的發(fā)射光譜。因此有機(jī)電致發(fā)光器件可以幾乎沒有再吸收損失。又有機(jī)材料的折射率低，使電致發(fā)光器件避免了無機(jī)發(fā)光二極管的再吸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，而非晶無機(jī)半導(dǎo)體材料中存在大量的空懸鍵。因此在無序有機(jī)體系中本征缺陷的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非晶無機(jī)半導(dǎo)體。 （4）有機(jī)材料數(shù)量是無限的，材料的光電性質(zhì)可以通過分子結(jié)構(gòu)剪裁來實(shí)現(xiàn)多樣化。 （5）有機(jī)材料的制備及提純工藝簡單快捷。 （6）一些薄膜制備可以在室溫下，

4、通過廉價(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. 簡述有機(jī)半導(dǎo)體材料的與無機(jī)半導(dǎo)體材料的差異。（1）結(jié)構(gòu)差異有機(jī)半導(dǎo)體是由分子組成，雖然分子內(nèi)原子間以非常強(qiáng)大的共價(jià)鍵相結(jié)合，但分子之間的相互作用卻主要是較弱的范德華力。無及半導(dǎo)體材料有原子組成，原子之間以共價(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；無機(jī)半導(dǎo)體由于原子之間較強(qiáng)的作用，容易形成長程有序結(jié)構(gòu)因而具有較寬的能帶和較窄的能隙。（2） 激子差異 有機(jī)半導(dǎo)體的激子通常產(chǎn)生于分子內(nèi)（Frenkel激子）或相鄰分子間（CT激子），兩種激子中，電子和空穴之間的束

5、縛力較強(qiáng)，激子半徑較小，且表現(xiàn)出定域性、擴(kuò)散長度較短。無及半導(dǎo)體中的激子常為通過能帶之間的躍遷而產(chǎn)生的半徑較大、束縛力較弱的Wannier激子。（3）載流子差異有機(jī)半導(dǎo)體的載流子通常定域在分子內(nèi)，無機(jī)*則具有離域化的特點(diǎn)。因此有機(jī)*載*的遷移率普片低于無*。（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、可燃及易溶于有機(jī)溶劑的特定。無機(jī)*則堅(jiān)硬、易碎、處于不利環(huán)境相對(duì)較穩(wěn)定等。有機(jī)*柔性及可操作性提供了新的加工方法，且比較容易制備缺陷和雜質(zhì)濃度都很低的高品質(zhì)表面及界面。6. 簡述有機(jī)分子內(nèi)的主要光電過程，請(qǐng)基于軌道能級(jí)畫出相應(yīng)的示意圖。（1）吸收(abs)（

6、2）內(nèi)轉(zhuǎn)換（IC;壽命約為10ps）圖P9（3）系間竄越（ISC;壽命約為10ps） （4）熒光（FL；壽命在110ns間）（5）磷光（Ph；壽命大于100ns）（6）非輻射躍遷8.什么是發(fā)光過程，請(qǐng)指出什么是熒光和磷光？基于不同的激發(fā)方式，列舉幾種發(fā)光過程。發(fā)光是指材料吸收某種形式的能量而形成激子，再以電磁輻射的形式回到基態(tài)的過程。來自于單線態(tài)的激子的光輻射產(chǎn)生熒光，來自于三線態(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)指出可見光所在的波長范圍。 通常有機(jī)材料的光發(fā)射波長在可見光區(qū)域（380780nm）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

7、機(jī)太陽能電池。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)和過程1. 簡述固體物質(zhì)的幾種成鍵方式，并簡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)離子間的長距離庫倫吸引力，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)電荷通過庫倫作用力相結(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

8、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。 3. 描述碳原子的三種雜化軌道，并指出其空間構(gòu)型。Sp3雜化：一個(gè)2s電子與三

9、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)簡并軌道，軌道之間的夾角為109.5度。Sp2雜化：一個(gè)2s電子與兩個(gè)2p雜化。空間對(duì)稱的平面三角形分布，能量相同的三個(gè)簡并軌道，夾角為120度。Sp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)鍵？ 4個(gè)；3個(gè)5. 何為飽和鍵？何為不飽和鍵？請(qǐng)指出二者的穩(wěn)定性差異。當(dāng)有機(jī)分子中含有鍵時(shí)，稱不飽和鍵，雙鍵和三鍵都是不飽和鍵；相對(duì)的，單鍵稱為飽和鍵。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、電子、p電子和n電

10、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電子、ppi-電子； 電子：鍵中的電子；p 電子：鍵中的電子；n電子：孤立電子稱之。能量順序?yàn)椋?lt;<n<*<*7. 以金剛石、石墨和富勒烯為例，闡述不同的化學(xué)鍵合方式可導(dǎo)致的材料性質(zhì)差異。金剛石中，碳原子以sp3雜化軌道形式存在，碳原子在正四面體的sp3軌道上向空間延伸形成大分子。石墨烯由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為鍵，而2pz軌道重疊成鍵，層層間有較強(qiáng)的-作用。球型富勒烯也由sp2雜化碳原子組成，存在鍵，由于曲面的要求，sp2軌

11、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)？ 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)。鍵將原子結(jié)合在一起，鍵相互重疊形成離域分子軌道。9. 什么是材料的芳香性？有機(jī)材料中包括苯環(huán)在內(nèi)的環(huán)狀平面共軛單元通常稱為芳香結(jié)構(gòu)，具有芳香結(jié)構(gòu)的材料通常認(rèn)為具有芳香性。10. 簡述分子軌道理論 很多原子的分子中存在大量電子及原子軌道，簡并程度很高，

12、為簡化處理多電子系統(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。該理論認(rèn)為：（1.）分子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)是在核和其余電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由單電子波函數(shù)描述。（2）分子軌道可用原子軌道的線性組合來描述。價(jià)鍵軌道的數(shù)目必須守恒。由能量的高低，分子軌道可分為成鍵軌道和反鍵軌道。（3）電子根據(jù)最低原理和泡利不相容原理排布在分子軌道上。（4）不同原子軌道有效組成分子軌道必須滿足能量相近、軌道最大重疊和對(duì)稱性匹配三個(gè)條件。11. 簡述配位場(chǎng)理論（P42-P43）打?。ǜ剑?2. 概括能帶理論的觀點(diǎn)(P43-P45)打印（附）13. 以HOMO和LU

13、MO為例，畫出氣態(tài)分子、晶體、以及非晶態(tài)固體的能級(jí)分布。圖P48 -2.1414. 請(qǐng)畫出示意圖，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. 請(qǐng)解釋兩種真空能級(jí)，并指出其關(guān)聯(lián)。（P53附）17. 什么是費(fèi)米能級(jí)？請(qǐng)指出金屬、半導(dǎo)體

14、和絕緣體的費(fèi)米能級(jí)特點(diǎn)，利用自由電子理論計(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)、內(nèi)轉(zhuǎn)換、系間竄越、自旋軌道耦合效應(yīng)、吸收和發(fā)射。（P49-55 66-68附）19. 以HOMO、LUMO為參考能級(jí)，畫出基態(tài)、第一單線態(tài)、三線態(tài)的能級(jí)示意圖，標(biāo)明電子自旋狀態(tài)，指出單線態(tài)與相應(yīng)三線態(tài)軌道的個(gè)數(shù)之比，解釋為什么三線態(tài)能級(jí)比相應(yīng)的單線態(tài)低？（圖P65-2.31 P65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)

15、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程，所發(fā)出的光為熒光，壽命10-910-6秒范圍；電子從T1到基態(tài)的光輻射躍遷為磷光過程，所發(fā)出的光為磷光，壽命為10-620秒范圍。22. 什么是Davydov能級(jí)分裂？通過二聚體模型說明：為什么用相互垂直的偏振光入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. 什么是聚變與裂變？請(qǐng)用圖示意這兩個(gè)過程。（P79）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的過程為稱聚變。一個(gè)高能量

16、的激子也可以與基態(tài)分子作用產(chǎn)生兩個(gè)低能量的激子，這個(gè)過程稱作裂變。25. 一個(gè)分子被光激發(fā)的概率可表示為： 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，簡單闡述Einstein方程的內(nèi)容。(P84-86)28. 以含輻射衰減速率和非輻射衰減速率的公式來表示光致熒光、光致磷光的發(fā)光量子產(chǎn)率。分別說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. 根據(jù)激子中電子與空穴的關(guān)系，將激子分類，并加以說明。（P91-92）31. 請(qǐng)指出F

17、örster半徑與能量傳遞/轉(zhuǎn)移效率的關(guān)系。（P97）32. 什么是Förster能量傳遞/轉(zhuǎn)移？什么是Dexter能量傳遞/轉(zhuǎn)移？指出該能量傳遞/轉(zhuǎn)移過程的有效距離范圍。（P94）33. 根據(jù)Förster能量傳遞/轉(zhuǎn)移速率公式，闡述影響Förster能量傳遞/轉(zhuǎn)移的主要因素。說明什么是方位因子。（P96） 34. 給出有機(jī)材料中激子擴(kuò)散長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)散長度。L=(ZD)1/2 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)， 為激子壽命。在有機(jī)材料中，激子的擴(kuò)散長

18、度在幾百個(gè)Å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0.13eV范圍的材料通常為半導(dǎo)體，導(dǎo)帶能隙比較模糊。36. 定義電導(dǎo)率、電流密度與載流子遷移率，推導(dǎo)出表示它們之間關(guān)系的公式。（P119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)載流子密度和能級(jí)與溫度的關(guān)系加以討論。（P127-128）

19、38. 金屬與非金屬的接觸分為哪幾類？分別加以解釋。根據(jù)接觸勢(shì)壘的不同，可以分為：中性接觸、Schottky接觸和歐姆接觸。中性接觸時(shí)，半導(dǎo)體沒有被摻雜，同時(shí)它本身不存在電荷，亦即不存在界面處電子向金屬或半導(dǎo)體的流動(dòng)。非金屬接觸時(shí)，通過金屬/半導(dǎo)體界面向半導(dǎo)體注入載流子產(chǎn)生的電流-電壓可分為兩種情況：當(dāng)接觸面的電流-電壓曲線表現(xiàn)出對(duì)稱的線性特征時(shí)，該電接觸為歐姆接觸否則為Schottky接觸。歐姆接觸時(shí)，金屬與半導(dǎo)體之間的接觸阻抗比半導(dǎo)體內(nèi)部的串聯(lián)阻抗小得多，可忽略不計(jì)。意味著在接觸處及附近，自由載流子密度比半導(dǎo)體內(nèi)要高得多。有機(jī)電子學(xué)基礎(chǔ)討論（這個(gè)誰有答案哦？）1. 半導(dǎo)體和絕緣體的能帶有何異同？2. 什么是半導(dǎo)體的摻雜？什么是p-型半導(dǎo)體？n型半導(dǎo)體？3