《有机电子学》word版.doc

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建（即共轭）结构。掺杂导电的本质是材料分子中的电子被移出（即被氧化）而产生的空穴，或者电子被引入而产生的电子，可在材料介质中沿着分子移动，产生导电性。2.什么是有机材料？所谓的有机材料，通常是指碳、氢、氮、氧几种元素以共价键的形式构成的分子材料，少数还含有卤素、硫和磷等元素。有机材料中分子与分子之间主要是通过范德华力、分子间偶极矩作用等分子间作用力相组合的。3、根据复杂性的不同，将有机材料分类，并对每类材料做简要的说明。 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，消光系数非常大，使得基于这类材料的光检测器以及光伏器件中的活性层可以很薄。因此，通过光激发产生的能量，不必穿越很长的距离就可以被检测或者被收集，这就降低了生产工艺中队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吸收光谱大大红衣的发射光谱，即材料的Stoke位移很大。因此有机电致发光器件中可以几乎没有再吸收损失。再加上有机材料较低的光折射率，使得有机电致发光器件避免了无机发光二极管中的再吸收和光折射损失这两个主要缺点。（3）有机半导体材料中的前沿电子饱和，而非晶无机半导体材料中存在的大量的悬空健。因此在无序有机半导体系中本征缺陷的浓度远远低于非晶无机半导体；（4）有机材料的数量是无限的，材料的光电性质可以通过分子结构剪裁来实现多样化。例如，有机材料的发射光谱可以涵盖整个可见光区域、甚至可以延伸到紫外和近红外区域。（5）有机材料的制备及提纯工艺简单快捷（6）一些有机薄膜的制备可以再室温下，通过廉价的溶液方法制备，具有与柔性相容性较好的特性。5、简述有机半导体和无机半导体的差异（1）结构差异有机半导体是由分子构成的，虽然分子内原子间是以非常强的共价键相结合，但是分子之间的相互作用却主要是较弱的范德华力。相比之下，无机半导体材料是由原子构成，原子之间以工家园相结合。通常的，范德华力健结合能比共价键结合能要小约一个数量级，例如典型的范德华力相互作用能通常小于42KJ/MOL,而无机半导体硅的共价键家和能为318KJ/MOL。其次，有机材料中的范德华力是以1/R6减小，其中R为分子间的距离；而无机半导体中的共价键键能，是以1/Rx下降。这就导致了有机材料中分子之间相互作用弱、能级分立能带较窄；而无机半导体则由于原子之间较强的作用力，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）激子差异当材料中的电子受到激发而跃迁到较高能级时，材料由基态变为激发态，其中激发态中具有较高能量的电子与材料中的某空穴有一定的束缚关系。高能量的电子和与之有束缚作用的空穴一起组成了激子。有机半导体中的常产生于分子内或者产生于相邻分子间，分别称为Frenkel激子或者电（CT）激子。这两种激子中，电子和空穴之间的束缚力较强，半径较小；半导体中的激子通常为通过能带之间的跃迁而产生的半径较大，束缚力Wannier激子，忧郁有机材料中能级的分立性、能带的狭窄性、材料的无定形性、以及陷阱和缺陷的普遍性，使得有机半导体中的激子表现出定域扩散长度较短。（3）载流子差异有机半导体中的载流子通常定域在分子内，而无极半导体中的载流子则具有不离域化的特点。因此有机半导体中的载流子歉意率普遍低于无机半导体。在室温下无机半导体的载流子迁移率约为100-10000cm2/Vs，而高度有序的有机半导体中，载流子迁移率的上限为40左右。在其他无序分子体系和高分子中，典型迁移率数值通常在10的-510的-3左右。（4）一般物理性质差异有机材料的结构特点，决定了他们通常具有低熔点，告压缩系数、相对柔软、可燃点以及易溶于有机溶剂的特点，这与无机材料很不同，例如，无机半导体通常坚硬，易碎，当处于潮湿、腐蚀等不利于环境时，相对比较稳定。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。8、什么是发光过程，请指出舍呢么是荧光和磷光？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（即处于激发态的分子）后，再以电磁辐射的形式回到基态的过程。来自于单线态机子的光辐射产生荧光，而来自于三线态激子的辐射产生磷光。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380-780nm10、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、 简述固体材料物质的几种成键方式，并简单解释这些成键方式固体物质中主要的成键方式包括离子键、金属健、共价键、分子健几种。离子键主要是指正负离子之间的长距离库伦吸引力。以离子键接合的固体通常熔点高，比较易碎，在低温下是不导电的绝缘体，而当高温熔融时或者在溶液状态时，由于存在自由移动的正负离子，这些离子盐就称为电的良导体；金属健指的是正负电荷通过库伦作用力相结合的成键方式，但是金属健中的负电荷是离域的、可以自由移动的电子，正电荷离子为原子核。由于存在大量流动的电子，金属材料一般具有导电性号、反射率高、熔点较高。同时材料的-性的特点。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，它包括电子运动轨迹（即电子云形状）和电子能量（轨道能级）两个最重要的内涵。院子内的电子通常具有波动性，服从测不准原理。也就是说，在分子、原子中运动的电子没有传统的运动轨道，而是行踪不定的按照一定的几率在原子核附近空间里出现。原子在原子核周围出现的几率的空间分布称为电子云，它反映了电子可能的运动空间，也成为电子轨道的形状。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，就会形成sp3杂化。空间构型，对称的四面体分布，轨道之间的夹角为109.5度。Sp2杂化轨道：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电子杂化，就会形成sp杂化。空间构型：对称的直线分布，轨道之间的夹角为180度4.碳原子与周围原子最多可以形成几个共价键？2个碳原子之间做多可以形成几个键？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。当游记分子中含有派健时，也成为不饱和键，双健和三健都是不饱和健，相对的，单健称为饱和键。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、电子和n电子。将其轨道能量做大致的排序。当原子相互结合形成共价键时，两个原子之间共享的钉子为价电子。孤对电子:例如，由o、cl、br、i等外层电子较多原子组成的分子中，通常有孤对电子所在的轨道能量也较高，因此他们有时也会参与分子的各种光电性电子也成为n电子。一个分子中各类电子的能量顺序为：-7、以金刚、石墨和富勒烯为例，阐述不同的化学键合方式的材料性质差异。金刚石中的碳是sp3杂化，原子之间完全是共价键。碳原子在正常轨道上向空间扩展，形成大分子。性质：坚硬无比，非常稳定，是绝缘体。层状石墨碳是sp2杂化，层内原子之间是共价键，存在派电子。而层状的碳原子是以范德华力结合的。这样的建和方式，使石墨既有较好的平面性，又有良好的层状结构，可以再大平面内离域的派电子使石墨的导电性较好，而又使得石墨具有润滑性；球状富勒烯由于存在sp2轨道可形成共轨，因此有导电性。但是富勒烯是个分立的分子，分子之间是范德华力，与石墨相比，富勒烯中共轭程度远远小于石墨，同时由于球形弯曲的缘故，其共轭性也远远没有石墨好，因此导电性低于石墨，稳定性也比石墨低。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的形式，在这种排列中，单健和双键交替出现，其中来自sp2碳或者sp碳原子轨道的西健将原子结合在一起，而来自杂化pz、py碳原子轨道的派健相互重叠星辰管理与分子轨道（派轨道）。9、什么是材料的芳香性？有机材料中包括苯环在内的这种换装平面共轭氮源称为芳香结构，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。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。14、请画出示意图，表达同一分子分别在气态、稀溶液、晶体、非晶体时候的吸收光谱的情况。15、解释最高占据能级和最低空置能级，并指出他们与电子亲和性、解离性、导带、及及价带的感谢。3.有机半导体中的载流子通常定域在分子内，而无机半导体的载流子则具有离域化的特点。因此有机半导体中载流子迁移率普遍低于无机半导体。在室温下，无机半导体的载流子迁移率约为100-10000cm/VS,而高度有序的有机半导体中载流子迁移率的上限为40cm2/Vs左右，在其他无序分子体系和高分子中，典型迁移率数值的上限在10的-5-10的-3左右。4.一般物理性质的差异有机材料的结构特点，决定了他们通常具有低熔点，告压缩系数、相对柔软、可燃点以及易溶于有机溶剂的特点，这与无机材料很不同，例如，无机半导体通常坚硬，易碎，当处于潮湿、腐蚀等不利于环境时，相对比较稳定。21、什么是荧光和磷光？指出其寿命。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，寿命为10的-910的-6秒范围；类似的，电子从T1到基态的光辐射跃迁定义为磷光过程，所发出的光为磷光，寿命为10的-6到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社单晶材料得到的吸收光谱，往往可以检测到Davydov能级分裂？在聚集态的材料中，忧郁激子与周围几台分子相互作用，产生了多种共振结构，导致了原激子的简并能级部分升高、部分降低，发生能级分裂，这就是Davydov能级分裂。有机分子的Davydov能级过程，可产生光学跃迁偏振现象；着是允许光跃迁情形下的跃迁偶极矩（transition dipole moment，M）决定的。对于单体子12，其S0-S1跃迁偶极矩可以表示为：36将材料根据导电性的不同进行分类， 每一类的能隙特点？根据到点性的不同，可将材料分为导体conductor，半导体semconductor、绝缘体insulator、超导体superconductor四类。从能隙理论角度，能隙大于5ev的材料通常为绝缘体，能隙在0.1-0.3ev范围的材料通常为半导体，导体中能隙比较模糊。37.下图是n-型掺杂半导体的截流子密度和能级随温度的变化曲线，分别对载流子密度能级与温度的关系加以讨论。