《有机电子学》思考题及答案1.doc 15页

'《有机电子学》思考题及答案第一章：引言1.如何使高分子材料具有导电性？掺杂高分子的导电机制是什么？必须在碳原子之间存在交替的单-双键（π共轭）结构。掺杂导体的本质是材料分子中的电子被移出（即氧化）而产生空穴，或者电子被引入（还原）而产生电子，可在材料介质中沿分子移动，产生导电性。2.什么是有机材料？所谓有机材料，通常指由碳氢氧氮几种元素以共价键形式构成的分子材料，少数还含有卤素、硫、磷。有机材料中分子与分子之间主要是通过范德华力、分子间偶极作用等分子间作用力相结合。3.根据复杂性的不同，请将有机材料分类，并对每类材料做简要说明。有机*一般分为：小分子、聚合物、生物分子。小分子相对分子质量小于100聚合物相对分子质量一般在10000以上。相对分子质量介于小分子和聚合物之间还存在一种大分子有机化合物。小(大)分子具有明确的分子量，是单一物质。根据结构特点又可分为：共轭非共轭分子、含金属元素的有机金属配合物、有明确重复单元的寡聚物、星型化合物、树状物。聚合物也称高分子，是由碳氢氧氮等组成的结构单元为单体，通过多次重复连接而成。一般为混合物，具有分子量分布。固、液、气状态的变化一般不明显生物分子是结构最为复杂的有机物。4.与无机半导体材料相比，简述有机半导体材料的优点。（1）有机材料在可见光区域有很好的吸收特性，消光系数很大，使得基于这类材料的光检测器以及光伏器件的活性层可以很薄。因此通过激光产生的能量不必穿过很长的距离就可以被检测或被收集，这就降低了生产工艺中对材料化学及结构完美性的要求。（2）很多荧光有机染料表现出比其他吸收光谱大大红移的发射光谱。因此有机电致发光器件可以几乎没有再吸收损失。又有机材料的折射率低，使电致发光器件避免了无机发光二极管的再吸收和光折射损失的缺点。（3）有机半导体中的前沿电子饱和，而非晶无机半导体材料中存在大量的空悬键。因此在无序有机体系中本征缺陷的浓度远远低于非晶无机半导体。（4）有机材料数量是无限的，材料的光电性质可以通过分子结构剪裁来实现多样化。（5）有机材料的制备及提纯工艺简单快捷。（6）一些薄膜制备可以在室温下，通过廉价的溶液方法制备，具有与各种类型基板相容性好的特性。5.简述有机半导体材料的与无机半导体材料的差异。 （1）结构差异有机半导体是由分子组成，虽然分子内原子间以非常强大的共价键相结合，但分子之间的相互作用却主要是较弱的范德华力。无及半导体材料有原子组成，原子之间以共价键结合。通常范德华键结合能比共价键结合能要小一个数量级。其次，有机材料中分子之间的相互作用弱、能级分立、能带较窄；无机半导体由于原子之间较强的作用，容易形成长程有序结构因而具有较宽的能带和较窄的能隙。（2）激子差异有机半导体的激子通常产生于分子内（Frenkel激子）或相邻分子间（CT激子），两种激子中，电子和空穴之间的束缚力较强，激子半径较小，且表现出定域性、扩散长度较短。无及半导体中的激子常为通过能带之间的跃迁而产生的半径较大、束缚力较弱的Wannier激子。（3）载流子差异有机半导体的载流子通常定域在分子内，无机**则具有离域化的特点。因此有机*载*的迁移率普片低于无*。（4）一般性物理差异有机*的结构特点决定了他们具有低熔点、高压缩系数、相对柔软、可燃及易溶于有机溶剂的特定。无机*则坚硬、易碎、处于不利环境相对较稳定等。有机*柔性及可操作性提供了新的加工方法，且比较容易制备缺陷和杂质浓度都很低的高品质表面及界面。6.简述有机分子内的主要光电过程，请基于轨道能级画出相应的示意图。（1）吸收(abs)（2）内转换（IC;寿命约为10ps） 图P9（3）系间窜越（ISC;寿命约为10ps）（4）荧光（FL；寿命在1~10ns间）（5）磷光（Ph；寿命大于100ns）（6）非辐射跃迁8.什么是发光过程，请指出什么是荧光和磷光？基于不同的激发方式，列举几种发光过程。发光是指材料吸收某种形式的能量而形成激子，再以电磁辐射的形式回到基态的过程。来自于单线态的激子的光辐射产生荧光，来自于三线态的激子的光辐射产生磷光。光致发光、阴极发光、电致发光。9.请指出可见光所在的波长范围。通常有机材料的光发射波长在可见光区域（380~780nm）10.请列举基于有机活性材料的几种光电子器件。有机场效应晶体管、有机太阳能电池。有机电致发光器件、有机传感器、有机存储器、有机激光器。第二章：有机材料中的电子结构和过程1.简述固体物质的几种成键方式，并简单解释这些成键方式。离子键、金属键、共价键、分子键。离子键指正负离子间的长距离库伦吸引力，以之结合的固体通常熔点较高，易碎、低温下为绝缘体，高温熔融或溶液状态为良导体。金属键也是指正负电荷通过库伦作用力相结合的成键方式，但负电荷是离域的、可自由移动的自由电子，真电荷粒子为原子核，一般具有导电性好、反射率高、熔点较高、柔性较好等特点。共价键指的是相邻原子之间公用电子对的成键方式，以之结合的固体一般易碎、熔点较高，本征导电性不高，但掺杂导电性显著提高。以上三种成键，原子之间以很强的键结合，不存在独立分子。分子键结合的材料中，原子之间既包括分子内的共价键，又包括分子间的范德华力为主的分子键，其柔性好、熔点低、导电性较差等。2.什么是电子轨道？电子云？原子核外电子的特性通常用电子轨道来描述，它包括电子运动轨道（即电子云形状）和电子能量（轨道能级）两个重要的内涵。 原子内的电子通常具有波动性，服从测不准原理，即运动的电子没有传统的运动轨道，其行踪不定以一定的概率在原子核附近空间出现。电子在原子核周围出现的几率的空间分布称为电子云，反映了电子可能的运动空间，也称电子轨道形状。3.描述碳原子的三种杂化轨道，并指出其空间构型。Sp3杂化：一个2s电子与三个2p杂化。空间对称的四面体分布及能量子相同的四个简并轨道，轨道之间的夹角为109.5度。Sp2杂化：一个2s电子与两个2p杂化。空间对称的平面三角形分布，能量相同的三个简并轨道，夹角为120度。Sp杂化：一个2s电子与一个2p杂化。空间对称的直线分布的两个简并轨道，夹角为180度4.碳原子与周围原子最多可以形成几个共价键？2个碳原子之间最多可以形成几个键？4个；3个5.何为饱和键？何为不饱和键？请指出二者的稳定性差异。当有机分子中含有π键时，称不饱和键，双键和三键都是不饱和键；相对的，单键称为饱和键。不饱和键比较活泼，易发生化学反应；饱和键相对稳定。6.请解释价电子、σ电子、pπ电子和n电子。将其轨道能量做大致排序。价电子：原子相互结合形成共价键，两原子间共享的电子称之。根据形成类别的不同又可分为σ电子、ppi-电子；σ电子：σ键中的电子；pπ电子：π键中的电子；n电子：孤立电子称之。能量顺序为：σ<π0）和Tn（n>1）上，叠加有一系列振动能级，从而形成电子的精细结构。21.什么是荧光和磷光？指出其寿命。（P68附）电子从S1到基态的光辐射跃迁定义为荧光过程，所发出的光为荧光，寿命10-9~10-6秒范围；电子从T1到基态的光辐射跃迁为磷光过程，所发出的光为磷光，寿命为10-6~20秒范围。22.什么是Davydov能级分裂？通过二聚体模型说明：为什么用相互垂直的偏振光入射单晶材料得到的吸收光谱，往往可以检测到Davydov能级分裂？（P69-73） 23.什么是基激二聚物与基激缔合物?（P76;P78）24.什么是聚变与裂变？请用图示意这两个过程。（P79）由两个能量较低的激子结合，形成一个能量较高的激子和一个基态分子S0的过程为称聚变。一个高能量的激子也可以与基态分子作用产生两个低能量的激子，这个过程称作裂变。 25.一个分子被光激发的概率可表示为：请指出各部分的含义，以及能够发生光跃迁的条件。(P82-83)26.什么是Franck-Condon因子？请阐述Franck-Condon原理。(P83-84) 26.借助如下示意图，简单阐述Einstein方程的内容。(P84-86)28.以含辐射衰减速率和非辐射衰减速率的公式来表示光致荧光、光致磷光的发光量子产率。分别说明光致荧光和磷光发光的发光量子产率的最大值及相应原因。（P88-90）29.根据激子中电子与空穴的关系，将激子分类，并加以说明。（P91-92）31.请指出Förster半径与能量传递/转移效率的关系。（P97） 32.什么是Förster能量传递/转移？什么是Dexter能量传递/转移？指出该能量传递/转移过程的有效距离范围。（P94）33.根据Förster能量传递/转移速率公式，阐述影响Förster能量传递/转移的主要因素。说明什么是方位因子。（P96）34.给出有机材料中激子扩散长度与激子寿命的公式，对参数加以解释，估计有机材料中激子扩散长度。L=(ZDτ)1/2其中Z=6、4、2分别代表三维、二维和一维激子扩散情形，用于估算时Z通常取1.D为扩散系数，τ为激子寿命。 在有机材料中，激子的扩散长度在几百个Å之内。34.给出静电复印的功能结构层，指出其中的有机材料及其作用。结合示意图，简述静电复印的工作原理。（P117附）36.将材料根据导电性的不同进行分类，并指出每一类的能隙特点。根据导电性的不同，可将材料分为导体、半导体、绝缘体、超导体四类。从能带理论角度，能隙>5eV的材料通常称为绝缘体，能隙在0.1~3eV范围的材料通常为半导体，导带能隙比较模糊。36.定义电导率、电流密度与载流子迁移率，推导出表示它们之间关系的公式。（P119附）37下图是n-型掺杂半导体的载流子密度和能级随温度的变化曲线，分别对载流子密度和能级与温度的关系加以讨论。（P127-128） 38.金属与非金属的接触分为哪几类？分别加以解释。根据接触势垒的不同，可以分为：中性接触、Schottky接触和欧姆接触。中性接触时，半导体没有被掺杂，同时它本身不存在电荷，亦即不存在界面处电子向金属或半导体的流动。非金属接触时，通过金属/半导体界面向半导体注入载流子产生的电流-电压可分为两种情况：当接触面的电流-电压曲线表现出对称的线性特征时，该电接触为欧姆接触否则为Schottky接触。欧姆接触时，金属与半导体之间的接触阻抗比半导体内部的串联阻抗小得多，可忽略不计。意味着在接触处及附近，自由载流子密度比半导体内要高得多。《有机电子学基础》讨论（这个谁有答案哦？）1.半导体和绝缘体的能带有何异同？2.什么是半导体的掺杂？什么是p-型半导体？n型半导体？3.指出下列半导体的类型：1）在硅中掺杂磷，2）在硅中掺杂铝。（n；p）4.请描述在固体材料中吸收光谱与发射光谱为宽峰的机理，以及发射光谱红移的原因。（画出分子基态、激发态的能量-分子构象坐标的势能面图，阐述Franck-Condon原理）5.请指出两种能量传递的种类，以及它们发生的必要条件。6.请画出OPV器件的暗态下以及光照下I-V曲线，并描述用于OPV表征的参数：开路电压、短路电流、填充因子、功率转换效率。7.请简单画出两种FET的结构。图1栅极/衬底半导体绝缘体漏源栅极/衬底绝缘体半导体源漏绝缘层衬底半导体源漏栅极abc8.请列举出OLED的至少五个优点。 9.请画出一个双层OLED的器件结构，并由此解释载流子注入、传输、复合以及发光的过程（P302）。10.在OLED中，请指出双层器件相对单层器件的优点。11.请列举制备OLED薄膜的两种方法。12.请指出在苯环分子中，碳原子的杂化类型。13.请描述sp3、sp2、sp杂化轨道的形状、可与相邻的分子形成p键的数量。14.请定义有机分子中的s键和p键，并比较其稳定的大小。15.请画出OFET器件的输出特性曲线和转移特性曲线，并标记出开起电压和开/关比值（P180）。16.请描述用于OLED表征的几个参数，并加以说明。17.画出包括振动在内的分子能级图（包括单线态、三线态激发态），指出主要的分子内电子衰变过程及其寿命(P9)。18.请阐述OPV器件的工作过程。'