2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子光電材料的設(shè)計(jì)與合成考試時間：______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(xiàng)的字母填在括號內(nèi)）1.在設(shè)計(jì)具有高效光致發(fā)光性能的有機(jī)半導(dǎo)體材料時，通常優(yōu)先考慮引入哪些基團(tuán)以增強(qiáng)電子給體能力？（）A.苯基B.羥基C.三氟甲基D.羧基2.下列哪種有機(jī)合成反應(yīng)通常用于構(gòu)建共軛體系？（）A.醛縮合反應(yīng)B.醚化反應(yīng)C.斯金納偶聯(lián)反應(yīng)D.銀鏡反應(yīng)3.對于需要高載流子遷移率的有機(jī)光電材料，其分子結(jié)構(gòu)通常應(yīng)具備的特點(diǎn)是？（）A.較大的空間位阻B.寬闊的能級帶隙C.高度的共軛性和平面性D.含有大量的極性官能團(tuán)4.在合成具有特定手性的有機(jī)光電材料時，常采用哪種方法來引入或控制手性？（）A.周期加成反應(yīng)B.手性催化不對稱合成C.自由基聚合D.分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)5.以下哪種光譜技術(shù)主要用于確定有機(jī)分子的紅外吸收頻率？（）A.紫外-可見光譜(UV-Vis)B.核磁共振波譜(NMR)C.紅外光譜(IR)D.拉曼光譜6.用于制備高質(zhì)量、高純度薄膜有機(jī)光電材料的方法是？（）A.溶膠-凝膠法B.溶劑熱法C.旋涂法D.化學(xué)氣相沉積法7.在有機(jī)光伏器件中，給體材料通常扮演的角色是？（）A.拔電子，促進(jìn)電子從染料注入B.給電子，促進(jìn)空穴從染料注入C.拔電子，穩(wěn)定器件界面D.給電子，形成激子8.下列哪種分子結(jié)構(gòu)特征有利于形成穩(wěn)定的π-π堆積，從而提高有機(jī)半導(dǎo)體的電荷傳輸能力？（）A.含有大量的雜原子B.分子鏈高度扭曲C.具有剛性的芳香環(huán)平面并相互平行D.分子間存在強(qiáng)烈的氫鍵作用9.在設(shè)計(jì)用于光催化降解有機(jī)污染物的分子催化劑時，通常需要考慮的關(guān)鍵因素是？（）A.高度的熒光性B.寬闊的能級帶隙C.良好的可見光吸收能力和合適的氧化還原電位D.高的分子量10.將分子前驅(qū)體溶解在溶劑中，通過旋涂、噴涂或浸涂等方法在基底上形成薄膜，然后進(jìn)行熱退火，這是制備有機(jī)光電薄膜的哪種基本流程？（）A.氣相沉積B.溶劑蒸發(fā)C.基底輔助組裝D.涂層沉積二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述分子結(jié)構(gòu)中的給體-受體（D-A）單元設(shè)計(jì)對有機(jī)光電材料能級結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。2.比較溶液法（如旋涂）和氣相法（如MOCVD）在制備有機(jī)光電薄膜方面的主要區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。3.解釋什么是分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）發(fā)光，并簡述其發(fā)光機(jī)理。4.簡述有機(jī)材料光穩(wěn)定性差的主要原因，并列舉至少兩種提高有機(jī)光電材料光穩(wěn)定性的策略。5.在設(shè)計(jì)用于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的發(fā)光層材料時，需要考慮哪些關(guān)鍵性能參數(shù)？三、論述題（每小題10分，共30分）1.以設(shè)計(jì)一種新型有機(jī)太陽能電池（OSC）的光敏染料為例，闡述其設(shè)計(jì)思路，需要考慮哪些關(guān)鍵因素，并簡述其工作原理。2.論述分子工程學(xué)在提升有機(jī)半導(dǎo)體材料電荷傳輸性能方面的作用，并舉例說明。3.分析影響有機(jī)光電材料器件性能（如效率、穩(wěn)定性）的關(guān)鍵因素有哪些，并就如何優(yōu)化器件性能提出你的看法。四、合成路線設(shè)計(jì)題（15分）設(shè)計(jì)一種取代的苯并噻唑衍生物的合成路線。要求寫出核心步驟的反應(yīng)類型，并簡要說明每步反應(yīng)的依據(jù)或選擇該反應(yīng)的理由。該分子結(jié)構(gòu)可作為一個潛在的光電功能單元。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.B5.C6.D7.A8.C9.C10.D二、簡答題1.解析思路：D-A單元通過形成電子給體和受體之間的相互作用（如氫鍵、偶極-偶極相互作用），可以調(diào)控材料的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級。這有助于設(shè)計(jì)具有特定氧化還原電位、易于發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移（如光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移）的材料，從而影響其光電性能，如光吸收范圍、電荷產(chǎn)生效率、激子解離能以及氧化還原催化活性等。2.解析思路：溶液法（如旋涂）是將分子溶解在溶劑中，通過物理方法（旋涂、噴涂等）在基底上成膜，成本低、設(shè)備簡單，但易引入溶劑殘留，影響器件性能和穩(wěn)定性。氣相法（如MOCVD）是在真空或低壓下通過氣相輸運(yùn)前驅(qū)體在基底上沉積成膜，得到的薄膜純度高、均勻性好、無溶劑污染，但設(shè)備昂貴、成本高。選擇方法需考慮材料性質(zhì)、器件要求、成本等因素。3.解析思路：ICT發(fā)光是指分子在吸收光能后，激發(fā)態(tài)分子內(nèi)的電子從給體部分躍遷到受體部分，伴隨著分子內(nèi)氫鍵或偶極矩的變化。其發(fā)光機(jī)理是激發(fā)態(tài)分子通過ICT過程，能量從高能量的給體態(tài)轉(zhuǎn)移到低能量的受體態(tài)，隨后從該最低激發(fā)態(tài)（通常是受體態(tài)）以發(fā)光形式釋放能量。這種發(fā)光通常具有較寬的發(fā)射光譜和紅移現(xiàn)象。4.解析思路：有機(jī)材料光穩(wěn)定性差的主要原因是分子結(jié)構(gòu)在光照（特別是紫外光或可見光）下容易發(fā)生光化學(xué)降解，如氧化、還原、斷鏈、異構(gòu)化等。主要原因包括分子中存在不飽和鍵、雜原子（如氮、氧、硫）、易斷裂的鍵（如C-H,C-C）等吸收光能后發(fā)生反應(yīng)。提高光穩(wěn)定性的策略包括：引入穩(wěn)定基團(tuán)（如芳香環(huán)、飽和鍵）、增加分子內(nèi)氫鍵或強(qiáng)相互作用以提高結(jié)構(gòu)剛性、設(shè)計(jì)寬帶隙分子以減少光吸收、摻雜或復(fù)合以鈍化缺陷等。5.解析思路：設(shè)計(jì)OLED發(fā)光層材料時，需要考慮的關(guān)鍵性能參數(shù)包括：發(fā)光顏色（由能級差決定）、發(fā)光效率（量子產(chǎn)率）、色純度（半峰寬）、光電化學(xué)穩(wěn)定性（光、熱、氧穩(wěn)定性）、電荷注入/傳輸能力（與空穴、電子遷移率相關(guān)）、與電極材料的相容性、薄膜形成能力（旋涂性、成膜均勻性）以及成本等。三、論述題1.解析思路：設(shè)計(jì)新型OSC光敏染料需考慮：①光吸收特性（覆蓋太陽光譜、吸收峰位置）；②氧化還原電位（與給體/空穴傳輸層匹配，實(shí)現(xiàn)有效電荷轉(zhuǎn)移）；③分子結(jié)構(gòu)與能級的可調(diào)控性（通過D-A單元設(shè)計(jì)、共軛體系調(diào)控等）；④熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性；⑤溶解性（便于加工成膜）；⑥與電極的界面相容性。設(shè)計(jì)思路通常是基于目標(biāo)吸收波長和氧化還原電位，選擇或設(shè)計(jì)合適的給體和受體單元，構(gòu)建共軛結(jié)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)修飾優(yōu)化各項(xiàng)性能。工作原理基于染料分子吸收光能產(chǎn)生激子，隨后通過光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）或電子轉(zhuǎn)移（ET）過程，將激子解離成自由電子和空穴，電子注入到給體層，空穴注入到受體層（或直接注入到半導(dǎo)體內(nèi)），最終形成光電流。染料分子本身或其氧化/還原產(chǎn)物需在器件工作電壓下穩(wěn)定。2.解析思路：分子工程學(xué)通過精確修飾和調(diào)控分子結(jié)構(gòu)，在原子或分子水平上優(yōu)化材料的性能。提升有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸性能方面，主要體現(xiàn)在：①調(diào)控能級：通過引入給體/受體單元、改變共軛長度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，精確調(diào)控HOMO和LUMO能級，使其與電極費(fèi)米能級匹配，降低電荷注入勢壘。②提高有序性：通過分子設(shè)計(jì)增強(qiáng)分子間相互作用（如π-π堆積、氫鍵），提高分子排列有序度，形成有效的電荷傳輸通道。③抑制缺陷：設(shè)計(jì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減少易引發(fā)復(fù)合的缺陷態(tài)。④增強(qiáng)激子解離：設(shè)計(jì)具有合適D-A相互作用的分子，促進(jìn)光激發(fā)態(tài)向自由載流子的解離。例如，通過引入給體單元設(shè)計(jì)D-π-A結(jié)構(gòu)，可以有效調(diào)節(jié)能級并促進(jìn)電荷分離，提高遷移率。3.解析思路：影響OLED器件性能的關(guān)鍵因素眾多，主要包括：①材料性能：發(fā)光層、空穴/電子傳輸層的材料選擇對其本身的量子效率、遷移率、穩(wěn)定性至關(guān)重要。②能級匹配：材料間的HOMO/LUMO能級匹配直接影響電荷注入和傳輸效率，是決定器件開路電壓和工作電壓的關(guān)鍵。③薄膜質(zhì)量：薄膜的厚度、均勻性、結(jié)晶度、缺陷密度等直接影響載流子傳輸和復(fù)合。④器件結(jié)構(gòu)：器件能級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如空穴/電子注入層、緩沖層、電極材料選擇）對電荷平衡、抑制器件老化至關(guān)重要。⑤界面工程：材料界面處的相互作用、接觸電阻、界面缺陷等對電荷注入、傳輸和復(fù)合有顯著影響。⑥工藝條件：制備過程中的溫度、氣氛、時間等都會影響薄膜性質(zhì)和器件性能。優(yōu)化器件性能需綜合考慮以上因素，通過材料篩選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、界面處理和工藝改進(jìn)等多方面努力。四、合成路線設(shè)計(jì)題解析思路：設(shè)計(jì)合成路線的核心是選擇合理、可行、高效的關(guān)鍵合成步驟來構(gòu)建目標(biāo)分子骨架，并引入所需取代基。通常從目標(biāo)分子出發(fā)，逆推至易得的原料。選擇反應(yīng)類型時，要考慮官能團(tuán)轉(zhuǎn)化、碳鏈構(gòu)建、環(huán)系形成等。理由陳述需結(jié)合官能團(tuán)活潑性、反應(yīng)選擇性、常用試劑、操作條件以及原子經(jīng)濟(jì)性等