有机电子学基础-2012.1.11-A-卷-答案-final.doc

一、解释概念（10分，每个概念2分） 1. 电子轨道： 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）两个最重要内涵。 2. 高占据能级： 最高占据能级（the highest occupied molecular orbital, HOMO）定义为分子中能量最高的充满电子能级，与实验值中的电子解离能相等（IP）； 3. 电子亲和能： 电子亲和能（EA, electron affinity）定义为材料表面处于导带底端的电子进入表面真空能级所需要的能量。 4. 费米能级： 费米能级可看作一个参考能级，其能量为EF。在EF能级这样一个状态上，被电子占据或空置的几率是相同的（f = 1/2） 5. 系间窜越： 系间窜越：用来描述涉及不同多重性能级之间的内转换（或非辐射）过程，即：单线态与三线态之间的非辐射电子跃迁过程。通常情况下，ISC过程是禁阻的，单线态与三线态的自旋轨道耦合可以缓解这种禁阻。 二、简要回答如下问题 （40分） 1、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。（5’） 根据结构复杂性的不同，有机材料一般分为小分子、聚合物以及生物分子。 小分子：一般分子量小于1000，有明确的分子量，是单一物质。 聚合物：也称作高分子，是以一种或几种由碳、氢、氧、氮等元素组成的结构单元为单体，通过多次（103～105）重复连接而形成的具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子。通常情况下，聚合物中结构单元的重复次数有不同的取值，因此聚合物是混合物，具有一个或宽或窄的分子量分布。 生物分子：是结构最为复杂的一类有机物，与生命体中存在的物质相关，如蛋白质、DNA等。 2、简述有机分子内的主要光电过程。（5’） (1) 吸收（absorption，简写：abs.）； (2) 内转换（inter crossing，简写：IC，τ～10 ps，τ为寿命）； (3) 系间窜越（inter system crossing，简写：ISC, τ～10 ps）； (4) 荧光（fluorescence，简写：FL，τ～1-10 ns）； (5) 磷光（phosphorescence，简写：PhL，τ 100 ns）； (6) 非辐射跃迁（指热能释放，包括内转换和系间窜越） 3、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。（10’） 金刚石中的碳是sp3杂化，原子之间完全是共价键。碳原子在正四面体的sp3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(电子，而层与层之间的碳原子是以范德华力结合的。这样的键合方式，使石墨既有很好的平面性，又有层状的结构。可以在大平面内离域的(电子使石墨的导电性较好，而层状结构又使得石墨具有润滑性； 球状富勒烯由于存在sp2轨道可形成共轭，因此有导电性。但是富勒烯是一个个分立的分子，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，因此富勒烯不但导电性低于石墨，稳定性也比石墨低。 4、基于HOMO和LUMO轨道，画出气态分子、晶体、以及非晶态固体的能级分布。（10’） 5、请简单画出两种OFET的结构。（10’） 三、综合问答（50分） 1、请画出平面异质结和本体异质结的OPV器件结构，并指出其各自的优缺点。（10’） 平面异质结OPV器件 与单层器件相比，平面异质结器件的最大优点是提供了电荷分离的驱动力，即给体和受体界面处的电子势垒。另外，平面异质结器件同时提供了电子和空穴传输通道。当激子在D-A界面产生电荷转移后，电子在n型受体材料中传输，而空穴则在p型给体材料中传输。因此电荷输运效率较高，自由电荷重新复合的机会也降低。该器件结构的主要缺点是，用于激子分离的异质结仅仅存在于给体和受体的界面处，材料吸收光后产生的激子必须扩散到界面才能够被解离，因此离界面较远的激子被浪费了。 本体异质结器件与双层异质结器件相似，都是利用D-A界面效应来转移电荷。它们的主要区别在于：（1） 本体异质结中的电荷分离产生于整个活性层，而双层异质结中电荷分离只发生在界面处的空间电荷区域（几个纳米）。因此本体异质结器件中激子解离效率较高，激子复合几率降低，结果减少或避免了由于有机物激子扩散长度小而导致的能量损失；（2） 由于界面存在于整个活性层，本体异质结器件中载流子向电极传输主要是通过粒子之间的渗滤(percolation)作用，而双层异质结器件中载流子传输介质是连续空间分布的给体或受体，因此双层异质结器件中载流子传输效率相对地高。而