有机电子学思考题与答案1Word文件下载.docx
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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)
(3)系间窜越(ISC;
寿命约为10ps)
图P9
(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(380~78Onm
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
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n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、。
电子、n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电子、pi-电子;
。
电子键中的电子;
n电子:
n键中的电子;
孤立电子称之。
能量顺序为:
c<
n<
n<
n*<
(T*
7.以金刚石、石墨和富勒烯为例,阐述不同的化学键合方式可导致的材料性质差异。
金刚石中,碳原子以sp3杂化轨道形式存在,碳原子在正四面体的sp3轨道上向空间延伸形成大分子。
石墨烯由sp2杂化的碳原子组成每层按共平面的sp2轨道扩展,相邻C为。
键,而2pz轨道重叠成n键,层层间有较强的n-n作用。
球型富勒烯也由sp2杂化碳原子组成,存在n键,由于曲面的要求,sp2轨道不再共平面。
金刚石、石墨和富勒烯都是由纯粹的碳原子构成的。
但原子间的成键方式不同,导致原子在空间中的取向和堆积不同,也导致不同的材料形状和性质。
金刚石无比坚硬、稳定,是绝缘体;
石墨和富勒烯都具有导电性,而富勒烯由于具有一定的弯曲,其导电性和稳定性都较石墨烯低一些。
8.什么是共轭结构?
共轭是有机物中碳原子排列的一种特定形式,即单键和双键交替出现。
。
键将原子结合在
一起,n键相互重叠形成离域分子轨道。
9.什么是材料的芳香性?
有机材料中包括苯环在内的环状平面共轭单元通常称为芳香结构,具有芳香结构的材料通常认为具有芳香性。
10.简述分子轨道理论
很多原子的分子中存在大量电子及原子轨道,简并程度很高,为简化处理多电子系统,将分子
中每个原子的电子轨道结合在一起考虑,形成分子中的电子轨道,由此发展为分子轨道理论。
该理论认为:
(1.)分子中每个电子的运动是在核和其余电子的平均势场中运动,运动状态可由单电子波函数描述。
(2)分子轨道可用原子轨道的线性组合来描述。
价键轨道的数目必须守恒。
由能量的高低,分子轨道可分为成键轨道和反键轨道。
(3)电子根据最低原理和泡利不相容原理排布在分子轨道上。
(4)不同原子轨道有效组成分子轨道必须满足能量相近、轨道最大重叠和对称性匹配三个条件。
11.简述配位场理论
(P42-P43)打印(附)
12.概括能带理论的观点
(P43-P45)打印(附)
13.以HOM和LUM(为例,画出气态分子、晶体、以及非晶态固体的能级分布。
图P48-2.14
14•请画出示意图,表达同一种分子分别在气态、稀溶液、晶体、非晶体时吸收光谱
导带、
及价带的关系
最高占据能级:
F分子的填充轨道中能量最高的能级,与实验中电子的解离能相等(LP);
最低空置能级:
分子的空置轨道中能量最低的能级,与实验中电子亲和能相等
(EA。
通常情况下,固体材料中的HOM和LUMC分别相当于价带顶端和导带底端。
16•请解释两种真空能级,并指出其关联。
(P53附)
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17•什么是费米能级?
请指出金属、半导体和绝缘体的费米能级特点,利用自由电子
理论计算的金属费米能级约为多少?
(P54附)
18.解释名词概念:
电子亲和能、解离能、价带、导带、能隙、电荷转移态、功函数、
内转换、系间窜越、自旋轨道耦合效应、吸收和发射。
(P49-5566-68附)
19.以HOMOLUM助参考能级,画出基态、第一单线态、三线态的能级示意图,标
明电子自旋状态,指出单线态与相应三线态轨道的个数之比,解释为什么三线态能级
比相应的单线态低?
(图P65-2.31P65附)
1
20.什么是电子能级的精细结构?
由于分子振动,在每一个电子能级Sn(n>
0)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10一6~20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SO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:
2
Ru2
Meu2vlvu2sl
su2
el
vu
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)
26.什么星Franck-Condon因f两今电『能撫1•…ill|Franck-<
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FrahckX'
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27.借助如下示意图,简单阐述Einstein方程的内容。
(P84-86)
o
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F?
rster半径与能量传递/转移效率的关系。
(P97)
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)
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32•什么是F?
rster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)
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33.根据F?
rster能量传递/转移速率公式Kfet9°
°
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128nNoRda0阐述影响F?
rster能量传递/转移的主要因素。
说明什么是方位因子。
(P96)
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“h.I,|JI.
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=(ZDt)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,t为激子寿命。
在有机材料中,激子的扩散长度在几百个?
之内。
35.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)
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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?
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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.
(画出分子基态、激发态
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。
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
图1
9.
P302)。
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(
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键的数量。
14.请定义有机分子中的键和键,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。