2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子材料在光學(xué)工程中的應(yīng)用考試時(shí)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)的代表字母填寫在答題紙上。）1.下列哪種分子材料通常具有窄帶隙特性，使其適用于制備需要吸收可見光或近紅外光的光電器件？A.導(dǎo)電聚合物聚苯胺B.硅基量子點(diǎn)C.碳納米管D.具有寬帶隙的金屬有機(jī)框架（MOF）2.在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）中，實(shí)現(xiàn)電能向光能高效轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵過程是：A.電極中的電子遷移B.遷移到有機(jī)層的電子與空穴復(fù)合C.有機(jī)材料的熱分解D.發(fā)光中心的分子解離3.與傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體相比，有機(jī)半導(dǎo)體在光電應(yīng)用中的一個(gè)顯著優(yōu)勢是：A.極高的載流子遷移率B.良好的化學(xué)穩(wěn)定性C.可以加工成柔性薄膜D.非常高的發(fā)光量子產(chǎn)率4.量子點(diǎn)發(fā)光顏色主要取決于其：A.材料的化學(xué)組成B.能帶寬度C.尺寸大小D.晶體結(jié)構(gòu)5.光子晶體能夠?qū)崿F(xiàn)對光傳播進(jìn)行調(diào)控的根本原因是：A.其具有特殊的介電常數(shù)分布B.其能夠吸收大部分入射光C.其具有超導(dǎo)特性D.其能夠自發(fā)產(chǎn)生相干光6.金屬有機(jī)框架（MOF）材料在光學(xué)傳感領(lǐng)域的主要應(yīng)用優(yōu)勢在于：A.高溫穩(wěn)定性B.可通過分子設(shè)計(jì)精確調(diào)控孔道大小和化學(xué)環(huán)境C.極低的密度D.良好的導(dǎo)電性7.有機(jī)太陽能電池（OSC）的能量轉(zhuǎn)換效率主要受限于：A.電極材料的選擇B.光伏材料的開路電壓和短路電流C.材料的機(jī)械強(qiáng)度D.加工工藝成本8.能夠解釋為什么較小尺寸的量子點(diǎn)會發(fā)出比大尺寸量子點(diǎn)更藍(lán)光的物理現(xiàn)象是：A.量子限域效應(yīng)B.布里淵散射C.拉曼效應(yīng)D.法拉第旋轉(zhuǎn)9.在利用分子材料進(jìn)行生物成像時(shí)，通常會選擇具有特定發(fā)射光譜的分子，這是為了：A.增強(qiáng)材料的生物相容性B.減少背景信號的干擾C.提高材料的穩(wěn)定性D.方便進(jìn)行電化學(xué)檢測10.分子材料的介電常數(shù)對其在光學(xué)工程中的應(yīng)用有何影響？至少列舉兩點(diǎn)。A.影響材料的導(dǎo)電性B.影響光在材料中的傳播速度和反射/折射率C.影響材料的機(jī)械強(qiáng)度D.決定材料的發(fā)光顏色二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在答題紙上。）1.有機(jī)半導(dǎo)體通常通過__________和__________的注入與復(fù)合來產(chǎn)生光。2.量子點(diǎn)作為發(fā)光材料，其尺寸減小到納米量級時(shí)，表現(xiàn)出顯著的__________效應(yīng)，導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)（如吸收和發(fā)射光譜）發(fā)生改變。3.光子晶體是由兩種或多種具有不同__________的周期性結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的人工介質(zhì)。4.在有機(jī)光伏器件中，為了高效收集光生載流子，通常需要在光伏材料層中構(gòu)建__________能級結(jié)構(gòu)。5.金屬有機(jī)框架（MOF）材料的優(yōu)異孔道選擇性使其在__________和__________等領(lǐng)域具有巨大潛力。三、簡答題（每題5分，共20分。請將答案填寫在答題紙上。）1.簡述有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）器件的基本工作原理。2.解釋什么是量子限域效應(yīng)，并簡述其對量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)的影響。3.為什么說分子材料的界面工程對其在光學(xué)工程中的應(yīng)用至關(guān)重要？4.簡述一種基于分子材料的光學(xué)傳感原理。四、論述題（每題10分，共20分。請將答案填寫在答題紙上。）1.論述導(dǎo)電聚合物在光學(xué)工程領(lǐng)域（至少兩個(gè)方面）的應(yīng)用潛力及面臨的挑戰(zhàn)。2.結(jié)合具體的分子材料實(shí)例，論述光子晶體在調(diào)控光傳播方面的獨(dú)特作用及其潛在應(yīng)用前景。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.C5.A6.B7.B8.A9.B10.B,D二、填空題1.電,空穴2.量子限域3.介電常數(shù)4.能級5.傳感,光捕獲三、簡答題1.有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）器件的基本工作原理：在電場驅(qū)動下，電極（陰極和陽極）分別向有機(jī)半導(dǎo)體層注入電子和空穴。注入的電子和空穴在有機(jī)層內(nèi)遷移并相遇復(fù)合，形成激子。激子在能量降低后以光子的形式發(fā)射出來，從而實(shí)現(xiàn)電能向光能的轉(zhuǎn)換。2.量子限域效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體納米顆粒的尺寸減小到納米量級（小于其激子波爾半徑）時(shí)，電子和空穴的波函數(shù)被限制在顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致其能級（特別是導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂）發(fā)生離散化，表現(xiàn)出類似量子化能級的特性。這種效應(yīng)使得納米顆粒的吸收和發(fā)射光譜隨著尺寸的減小而發(fā)生藍(lán)移（對于直接帶隙半導(dǎo)體）。3.分子材料的界面工程對其在光學(xué)工程中的應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)楣鈱W(xué)器件的性能（如效率、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度）在很大程度上取決于材料界面的性質(zhì)。通過精確調(diào)控界面處的能級匹配、電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)、缺陷鈍化、異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等，可以優(yōu)化載流子的注入和傳輸、抑制復(fù)合損失、增強(qiáng)與外界環(huán)境的相互作用（如傳感），從而提升器件的整體光學(xué)性能。4.一種基于分子材料的光學(xué)傳感原理：利用分子材料對特定分析物（如氣體分子、離子、生物分子）具有選擇性結(jié)合或反應(yīng)的特性，導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)（如吸收光譜、發(fā)射光譜、熒光強(qiáng)度、折射率）發(fā)生可測量的變化。通過檢測這種光學(xué)信號的變化，即可實(shí)現(xiàn)對分析物的定性或定量檢測。例如，某些熒光分子在與分析物作用后會發(fā)生構(gòu)象變化或電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度或波長發(fā)生改變。四、論述題1.導(dǎo)電聚合物在光學(xué)工程領(lǐng)域（至少兩個(gè)方面）的應(yīng)用潛力及面臨的挑戰(zhàn)：*應(yīng)用潛力：*有機(jī)光電器件：導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物）具有可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)、良好的光電導(dǎo)率、易于加工成薄膜以及潛在的低成本等優(yōu)點(diǎn)，使其在制備OLED（發(fā)光層、空穴/電子傳輸層）、有機(jī)太陽能電池（光吸收層、電荷傳輸層）、有機(jī)光電探測器等器件方面展現(xiàn)出巨大潛力，有望實(shí)現(xiàn)柔性、可穿戴、大面積顯示和照明等應(yīng)用。*柔性光子器件：一些導(dǎo)電聚合物具有良好的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性，可用于制備柔性或可卷曲的光波導(dǎo)、光調(diào)制器、傳感器等，拓展光學(xué)工程在便攜式和可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。*面臨的挑戰(zhàn)：*光學(xué)穩(wěn)定性：許多導(dǎo)電聚合物在光、氧、熱等因素作用下易發(fā)生降解，導(dǎo)致其光學(xué)性能（如發(fā)光效率、吸收光譜）快速衰減，限制了其在要求長壽命器件中的應(yīng)用。*電化學(xué)穩(wěn)定性：在工作電壓或環(huán)境條件下，可能發(fā)生氧化或還原副反應(yīng)，影響器件的長期穩(wěn)定性和可靠性。*載流子遷移率：相比某些無機(jī)半導(dǎo)體，部分導(dǎo)電聚合物的載流子遷移率仍有待提高，這會影響器件的響應(yīng)速度和工作效率。*材料均勻性與可加工性：制備大面積、均勻、高質(zhì)量導(dǎo)電聚合物薄膜仍有技術(shù)挑戰(zhàn)，且加工過程需嚴(yán)格控制以避免性能下降。2.結(jié)合具體的分子材料實(shí)例，論述光子晶體在調(diào)控光傳播方面的獨(dú)特作用及其潛在應(yīng)用前景：*獨(dú)特作用：光子晶體是一種具有周期性介電常數(shù)或折射率分布的人工結(jié)構(gòu)材料，其周期尺度與光波長相當(dāng)。利用光子晶體可以構(gòu)建禁帶（光子帶隙），在此禁帶范圍內(nèi)特定頻率（模式）的光無法在晶體內(nèi)部傳播。這種獨(dú)特的光子帶隙效應(yīng)使得光子晶體能夠?qū)崿F(xiàn)對光傳播的精確調(diào)控，包括阻止、引導(dǎo)、分束、聚焦、增強(qiáng)以及產(chǎn)生局域化態(tài)等，這是傳統(tǒng)均勻介質(zhì)無法做到的。例如，通過設(shè)計(jì)光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)（周期、組成、維度），可以精確控制特定波長的光的傳播路徑和模式。*材料實(shí)例與應(yīng)用前景：*應(yīng)用一：光纖通信中的光波分復(fù)用（WDM）器件。利用光纖光子晶體波導(dǎo)，可以在同一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長（模式）的光信號而不發(fā)生串?dāng)_，極大地提高了光纖的傳輸容量。例如，使用空氣孔周期性排列的二氧化硅光纖光子晶體。*應(yīng)用二：高增益光源或激光器。將增益介質(zhì)（如量子點(diǎn)、半導(dǎo)體納米線）嵌入光子晶體結(jié)構(gòu)中，并設(shè)計(jì)具有高模式密度的光子晶體腔，可以使光子模式與增益介質(zhì)的自發(fā)輻射模式相匹配，顯著增強(qiáng)光子束縛和模式增益，從而實(shí)現(xiàn)高增益輸出或低閾值激光。例如，基于量子點(diǎn)與光子晶體超表面的結(jié)構(gòu)。*應(yīng)用三：完美透鏡或超透鏡。在光子晶體近場區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)亞波長分辨率的成像，克服了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)受限于衍射極限的分辨率瓶頸。利用此效應(yīng)可以制造出具有超高分辨率的顯微成像系統(tǒng)。*應(yīng)用四：光學(xué)