2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子電子與信息工程技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題后的括號內）1.在分子晶體管中，實現(xiàn)電信號傳輸?shù)闹饕锢頇C制通常被認為是？A.電子在金屬導線中的常規(guī)擴散B.光子激發(fā)載流子后導致的電流C.電子通過分子橋的量子隧穿效應D.分子基團在電場下的旋轉導致導電通路改變2.下列哪種分子間相互作用力在調控分子電子器件的導電性中起著關鍵作用？A.離子鍵B.共價鍵C.范德華力D.非共價鍵（包括氫鍵、π-π堆積等）3.當施加門電壓使分子晶體管的HOMO能級低于源漏電極的費米能級時，器件處于什么工作狀態(tài)？A.截止狀態(tài)B.導通狀態(tài)C.高阻態(tài)D.線性狀態(tài)4.DNA計算或存儲技術的主要優(yōu)勢之一在于其具有？A.極高的處理速度B.極低的能量消耗C.超高的信息密度（存儲容量）D.良好的器件穩(wěn)定性5.原子力顯微鏡（AFM）在分子電子學研究中最常用于？A.直接測量分子間作用力B.高分辨率成像分子表面形貌C.測量分子的電子能譜D.激發(fā)分子的熒光信號6.分子開關器件的核心功能在于？A.在不同電壓下產(chǎn)生不同的電流放大倍數(shù)B.在外界刺激下可逆地改變自身的導電狀態(tài)C.實現(xiàn)電荷在分子內的有效分離D.對特定分子具有高度的吸附選擇性7.與傳統(tǒng)硅基存儲器相比，基于分子存儲器的潛在優(yōu)勢包括？A.更高的讀寫速度B.更低的制造成本C.更高的存儲密度和更長的數(shù)據(jù)保持時間D.更好的環(huán)境穩(wěn)定性8.在分子電子器件的制備中，自上而下（Top-down）的方法通常指？A.從原子或分子尺度構建器件結構B.通過光刻、刻蝕等技術微加工材料C.利用自組裝技術在模板上生長結構D.通過化學合成精確控制分子結構9.下列哪項技術通常不歸屬于分子信息存儲的范疇？A.活性位點分子印跡技術B.基于納米孔道的DNA測序C.光致變色分子材料的循環(huán)使用D.高密度磁光盤的制造10.分子電子學的發(fā)展對信息技術可能帶來的最根本性影響是？A.提供更便宜的計算設備B.實現(xiàn)超越摩爾定律的增長速度C.開發(fā)全新的傳感和檢測手段D.使量子計算成為主流二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.分子晶體管的基本結構通常包含源極、漏極和________極。2.描述分子能級相對高低的關鍵參數(shù)是________和LUMO。3.利用DNA分子作為信息載體進行存儲，其信息編碼通?；赺_______的序列。4.在分子自組裝過程中，非共價鍵的精確調控對于形成特定________結構至關重要。5.________是一種重要的表面分析技術，可用于探測分子層面的電子結構和相互作用。6.分子開關實現(xiàn)其功能所依賴的外部刺激可以是電場、磁場、光照或________等。7.“分子烙印”技術旨在制備具有特定識別位點的________，用于選擇性結合目標分子。8.評估分子電子器件性能的重要指標包括電流-電壓特性、________和開關比等。9.碳納米管作為潛在的導電通道，其導電性能與其________（手性）密切相關。10.分子電子與信息工程是________學科與信息科學深度交叉融合的前沿領域。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述影響分子晶體管導電性能的主要因素。2.與傳統(tǒng)硅基存儲器相比，簡述分子存儲器在材料和環(huán)境適應性方面的潛在優(yōu)勢。3.簡要說明DNA計算的基本原理及其面臨的主要挑戰(zhàn)。四、計算題（每題10分，共20分）1.假設一個分子晶體管的分子橋具有線性能級，其HOMO和LUMO能級分別位于電極為+0.5V和-0.5V的費米能級之上0.3eV和0.1eV。計算當施加0.8V的源漏電壓（V_ds）時，如果隧穿概率與能級偏移的指數(shù)關系為P~exp(-2*sqrt(E_bias)/hbar*2π*c)，其中E_bias是分子與電極間的有效偏移量，請定性分析電流的變化趨勢，并簡述原因。（無需精確計算，重點說明邏輯）2.某種基于自組裝單分子層（SAM）的分子傳感器，其檢測原理是目標分析物與SAM上的識別分子結合后，導致SAM層電阻發(fā)生顯著變化。已知在未檢測時，該SAM層的電阻為R_0=1GΩ。當目標分析物存在時，電阻下降至R=10MΩ。請計算該傳感器的電阻變化倍數(shù)（Sensitivity,S），并說明其物理意義。（S=R_0/R）五、綜合題（15分）論述分子電子與信息工程技術在未來信息技術發(fā)展可能扮演的角色，并分析其面臨的主要挑戰(zhàn)和潛在的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.B6.B7.C8.B9.D10.B二、填空題1.門2.HOMO3.DNA4.自組裝5.掃描隧道顯微鏡(STM)6.化學物質7.識別材料8.穩(wěn)定性/開關比9.手性10.分子三、簡答題1.解析思路：影響分子晶體管導電性的因素主要圍繞分子本身的性質和分子與電極的接觸情況。分子本身：分子長度、共軛性（影響能級和傳輸）、橋連基團的電子結構、空間位阻、分子內/間相互作用（如氫鍵、范德華力）等。分子與電極：界面功、接觸面積、電荷轉移效率、電極材料等。答案要點：分子本身的長度、共軛性、電子結構；分子間相互作用；分子與電極的界面接觸情況（界面功、接觸面積）。2.解析思路：分子存儲器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在材料層面和環(huán)境適應性。材料上：尺寸小、密度高；環(huán)境適應上：可在非晶、柔性基底上制備，對環(huán)境溫度、濕度可能更容忍，易于集成到生物系統(tǒng)等。答案要點：材料尺寸小、信息密度高；潛在的環(huán)境適應性好（如柔性基底、特定環(huán)境耐受性）。3.解析思路：DNA計算原理是基于DNA作為信息載體和操作媒介，利用DNA的合成、酶促反應（如連接酶、聚合酶）、雜交等操作模擬計算機的邏輯運算。挑戰(zhàn)在于DNA操作的并行性有限、速度慢、需要復雜的生物合成和檢測技術、錯誤率控制等。答案要點：利用DNA序列作為信息，通過生物化學反應模擬邏輯運算。挑戰(zhàn)：速度慢、并行性差、操作復雜、錯誤控制難。四、計算題1.解析思路：首先判斷分子橋的能級相對電極費米能級的位置。HOMO(-0.2V)低于V_ds/2(0.4V)，LUMO(+0.4V)高于V_ds/2。這意味著在正向偏壓下，HOMO和LUMO都未完全進入電導帶，但存在重疊或可通過隧穿。計算隧穿概率需要知道能級偏移，這里E_bias近似為V_ds/2-分子能級。當V_ds增大時，如果隧穿是主導機制，E_bias減小，隧穿概率增加，電流增加。但實際器件中，電場調控的共振隧穿或場效應可能更復雜，需結合具體模型。此題要求定性分析，基于指數(shù)關系，能級偏移減小則概率增加，故電流趨于增大。答案要點：分析能級相對位置，判斷隧穿機制。定性說明：V_ds增大導致能級偏移減小，指數(shù)關系下隧穿概率增加，電流隨之增大。2.解析思路：電阻變化倍數(shù)（Sensitivity）定義為初始電阻R_0與變化后電阻R的比值。這是一個無量綱數(shù)，表示電阻變化的幅度。計算公式直接代入數(shù)值即可。物理意義在于衡量傳感器對目標分析物響應的敏感程度，值越大表示響應越明顯。答案要點：計算公式S=R_0/R。代入數(shù)值S=1GΩ/10MΩ=100。物理意義：表示電阻降低了100倍，對目標分析物響應靈敏。五、綜合題解析思路：*角色：從未來信息發(fā)展趨勢看，分子電子技術旨在突破傳統(tǒng)硅基器件的尺寸極限（摩爾定律趨緩），實現(xiàn)更小、更低功耗、更高密度的信息存儲和處理。其角色在于提供新的可能性，推動信息技術向更集成化、智能化、甚至生物化方向發(fā)展。*挑戰(zhàn)：主要挑戰(zhàn)包括：①集成與制造：如何將大量分子器件按需排列、互聯(lián)，形成穩(wěn)定可靠的功能模塊；②性能：提高器件的開關速度、穩(wěn)定性、可靠性，降低噪聲；③讀/寫機制：開發(fā)高效、非破壞性的讀/寫方法；④理論理解：深入理解分子尺度下的電子輸運、相互作用等物理機制。*發(fā)展方向：可能的方向包括：①新材料探索：尋找具有優(yōu)異電學性能和穩(wěn)定性的有機/無機分子材料