2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)在光電材料研究中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項前的字母填在答題紙上。）1.下列哪種光譜方法主要用來研究分子的振動和轉(zhuǎn)動能級？()A.紫外-可見吸收光譜B.核磁共振波譜C.拉曼光譜D.熒光光譜2.在有機光電材料中，引入給體單元的主要目的是？()A.增加材料的穩(wěn)定性B.增強材料的熒光發(fā)射強度C.提供電子給受體，形成激子D.降低材料的熔點3.分子自組裝過程中，主要通過范德華力聚集形成膠束的結(jié)構(gòu)通常是？()A.核心-殼結(jié)構(gòu)B.單層膜結(jié)構(gòu)C.核殼結(jié)構(gòu)D.雙層膜結(jié)構(gòu)4.有機光伏器件（OPV）中，非輻射復(fù)合通常發(fā)生在？()A.給體/受體界面B.載流子傳輸層內(nèi)部C.電極與活性層界面D.激子解離區(qū)域5.下列哪種有機材料常被用作OLED器件的空穴傳輸層？()A.P3HTB.PCBMC.N,N'-雙（1-萘基）-N,N'-雙（苯基）-聯(lián)苯胺（NPB）D.CuPc6.分子內(nèi)氫鍵的形成通常會？()A.增加分子的剛性，限制旋轉(zhuǎn)B.降低分子的溶解度C.僅影響分子的熒光顏色D.減弱分子間的相互作用7.在設(shè)計具有高效熒光發(fā)射的分子時，通常希望其具有？()A.較高的摩爾吸光系數(shù)B.較大的斯托克斯位移C.穩(wěn)定的單線態(tài)壽命D.容易發(fā)生非輻射躍遷8.利用分子識別原理構(gòu)建的光電傳感器，其核心在于？()A.傳感材料的優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性B.傳感材料與目標(biāo)物之間的高度選擇性相互作用C.傳感信號的高靈敏度D.目標(biāo)物的易得性9.DFT（密度泛函理論）在研究有機光電材料時，主要可以用來預(yù)測？()A.分子的紅外光譜B.分子的熒光發(fā)射波長C.分子的電子能級結(jié)構(gòu)D.分子的熱穩(wěn)定性10.π-π堆積相互作用在有機半導(dǎo)體薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色，它主要貢獻了？()A.載流子的有效質(zhì)量B.載流子的遷移率C.薄膜的機械強度D.薄膜的表面能二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.分子光譜中，紫外-可見吸收主要對應(yīng)于電子躍遷，而熒光則源于從______態(tài)到______態(tài)的躍遷。2.分子自組裝是一種自下而上的構(gòu)建過程，驅(qū)動力可以來自______相互作用、______相互作用或同時存在這兩種作用。3.在有機發(fā)光二極管（OLED）中，電子從陰極注入，經(jīng)過______層到達給體/受體界面，與空穴復(fù)合形成激子。4.影響有機半導(dǎo)體載流子遷移率的關(guān)鍵因素包括分子鏈的______、______以及晶粒的尺寸和取向。5.分子基光致變色材料在光照下發(fā)生______反應(yīng)，導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)（如顏色、吸收光譜）發(fā)生可逆變化。6.為了提高有機光伏器件的效率，需要有效抑制______復(fù)合，并促進激子的______。7.分子識別通常基于分子間特定的相互作用，如抗原-抗體結(jié)合、酶-底物催化等，其特點在于高度的______和______。8.分子設(shè)計與合成中，通過調(diào)節(jié)分子的______和______可以有效調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)和光電性能。9.計算化學(xué)方法如DFT可以用來研究分子的電子結(jié)構(gòu)、預(yù)測其______和______等性質(zhì)。10.范德華力雖然較弱，但在構(gòu)建有序的分子組裝體，如______和______中，起著重要的結(jié)構(gòu)調(diào)控作用。三、簡答題（每小題5分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.簡述分子內(nèi)氫鍵對分子熒光性能可能產(chǎn)生的影響。2.簡述有機光伏器件（OPV）中，激子產(chǎn)生、解離和載流子傳輸?shù)幕具^程。3.簡述設(shè)計高效有機發(fā)光二極管（OLED）器件所需考慮的關(guān)鍵因素。4.簡述利用分子光譜技術(shù)（如熒光光譜）對光電功能材料進行表征的基本原理和目的。四、論述題（每小題10分，共30分。請將答案填在答題紙上。）1.結(jié)合分子間相互作用（如氫鍵、π-π堆積）的原理，論述如何通過分子設(shè)計策略來調(diào)控有機半導(dǎo)體薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)和載流子遷移率。2.論述分子傳感的基本原理，并舉例說明一種基于分子識別的光電傳感器及其在環(huán)境監(jiān)測或生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。3.選擇一種你感興趣的光電功能分子（如有機半導(dǎo)體、光致變色分子等），詳細(xì)闡述其結(jié)構(gòu)特點、工作原理以及潛在的應(yīng)用前景。---試卷答案一、選擇題1.C解析：拉曼光譜主要用于研究分子的振動和轉(zhuǎn)動能級。紫外-可見吸收光譜對應(yīng)電子躍遷，核磁共振波譜研究原子核自旋，熒光光譜研究電子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)。2.C解析：有機光電器件（如OPV、OLED）需要給體和受體材料形成激子（電子-空穴對），給體的主要功能是提供電子。3.A解析：分子膠束是典型的核心-殼結(jié)構(gòu)，由疏水頭部向內(nèi)聚集形成核心，親水尾部朝外形成外殼。4.A解析：給體/受體界面是能級匹配的關(guān)鍵區(qū)域，電子和空穴在此處復(fù)合，其中一部分是輻射復(fù)合，大部分是能量損失的非輻射復(fù)合。5.C解析：NPB（N,N'-雙（1-萘基）-N,N'-雙（苯基）-聯(lián)苯胺）是常用的空穴傳輸材料，具有良好的空穴傳輸效率和穩(wěn)定性。6.A解析：分子內(nèi)氫鍵形成后，氫原子和兩個原子核之間的距離趨于固定，限制了分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，增加了剛性。7.C解析：高效熒光材料需要具有足夠長的單線態(tài)壽命，以便有足夠時間發(fā)射熒光，并且盡量避免非輻射躍遷損失能量。8.B解析：分子傳感器的核心在于利用傳感材料與目標(biāo)分析物之間高度特異性和選擇性相互作用，從而產(chǎn)生可檢測的信號變化。9.C解析：DFT是計算化學(xué)中常用的方法，可以用來計算分子的基態(tài)電子結(jié)構(gòu)，從而預(yù)測其各種性質(zhì)，如原子電荷分布、電子能級、光學(xué)性質(zhì)等。10.B解析：π-π堆積相互作用存在于具有平行π電子云的分子之間，這種相互作用可以增強分子間的有序排列，有利于電子在晶體中的傳輸，從而提高載流子遷移率。二、填空題1.激發(fā)單線態(tài)，基態(tài)單重態(tài)解析：熒光是激發(fā)態(tài)分子從第一激發(fā)單線態(tài)返回基態(tài)單重態(tài)時發(fā)射的光子。2.分子間，氫鍵解析：分子自組裝的驅(qū)動力主要來自分子間的范德華力和氫鍵等相互作用。3.電荷傳輸（或空穴傳輸）解析：在OLED器件中，電子從陰極注入，首先需要通過電子傳輸層到達活性層界面。4.晶體結(jié)構(gòu)（或有序度），能級匹配解析：分子鏈的規(guī)整排列和良好的晶體結(jié)構(gòu)有利于載流子傳輸；合理的能級匹配有助于減少界面勢壘，促進載流子傳輸。5.光化學(xué)解析：光致變色材料在光照下發(fā)生光化學(xué)變化，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)改變。6.非輻射，解離解析：為了提高OPV效率，需要抑制非輻射復(fù)合以減少能量損失，并促進光子吸收后的激子有效解離成自由載流子。7.選擇性，專一性解析：分子識別的特點是高度的選擇性和專一性，即只與特定的目標(biāo)物發(fā)生相互作用。8.共軛結(jié)構(gòu)，電子給體/受體性質(zhì)（或能級）解析：調(diào)節(jié)分子的共軛程度可以影響其能級結(jié)構(gòu)和光學(xué)、電子性質(zhì)；引入給體或受體單元可以調(diào)控其電荷轉(zhuǎn)移能力。9.光譜，幾何構(gòu)型解析：DFT可以預(yù)測分子的紫外-可見光譜、熒光光譜等光學(xué)性質(zhì)，以及分子的幾何結(jié)構(gòu)、鍵長、鍵角等。10.膠束，囊泡解析：范德華力在自組裝形成膠束、囊泡等超分子結(jié)構(gòu)中起著重要的維系作用。三、簡答題1.簡述分子內(nèi)氫鍵對分子熒光性能可能產(chǎn)生的影響。解析：分子內(nèi)氫鍵可以限制分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使分子構(gòu)象趨于穩(wěn)定，有利于形成激基態(tài)分子內(nèi)氫鍵復(fù)合物，從而可能增大斯托克斯位移，延長熒光壽命，提高熒光量子產(chǎn)率。但也可能由于限制了分子的振動和旋轉(zhuǎn)，減少了非輻射躍遷的去活渠道，反而可能降低熒光效率。具體影響取決于分子結(jié)構(gòu)和氫鍵的強度、位置等。2.簡述有機光伏器件（OPV）中，激子產(chǎn)生、解離和載流子傳輸?shù)幕具^程。解析：OPV器件在光照下，光子能量被給體和受體材料吸收，產(chǎn)生激子（束縛的電子-空穴對）。激子在給體/受體界面附近由于庫侖吸引力而存在一定的束縛態(tài)。如果界面能級匹配合適，激子可以克服界面勢壘，解離成自由的電子和空穴。這些自由載流子分別被器件的陰極和陽極收集，形成光電流。同時，部分激子會通過非輻射復(fù)合損失能量。3.簡述設(shè)計高效有機發(fā)光二極管（OLED）器件所需考慮的關(guān)鍵因素。解析：設(shè)計高效OLED器件需要考慮：①材料選擇：選擇具有合適能級結(jié)構(gòu)（如低空穴遷移率材料作空穴傳輸層，低電子遷移率材料作電子傳輸層）、高熒光/磷光量子產(chǎn)率、長壽命、高效率和穩(wěn)定性的有機功能材料。②器件結(jié)構(gòu)：設(shè)計合理的器件結(jié)構(gòu)（如ITO/NPB/DA/TPD/Al或ITO/HTM/OC1C10/MLC/C60/Al等），確保各層材料性能匹配，能級對齊優(yōu)化，減少界面缺陷。③載流子傳輸與復(fù)合：優(yōu)化各層材料厚度，促進載流子高效傳輸，減少非輻射復(fù)合中心。④能量損失：盡量減少激子形成、解離、傳輸和復(fù)合過程中的能量損失。⑤器件穩(wěn)定性：提高器件的熱穩(wěn)定性、濕氣穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。4.簡述利用分子光譜技術(shù)（如熒光光譜）對光電功能材料進行表征的基本原理和目的。解析：熒光光譜基于分子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)單重態(tài)時發(fā)射光子的原理。通過測量熒光強度、波長（斯托克斯位移）、壽命等參數(shù)，可以獲取材料的信息：①結(jié)構(gòu)信息：發(fā)射波長與分子電子結(jié)構(gòu)相關(guān)，可用于定性鑒定或結(jié)構(gòu)表征。②純度判斷：雜質(zhì)常會引入額外的熒光峰或猝滅主峰熒光。③環(huán)境敏感：熒光對溶劑、溫度、pH值、分子間相互作用等環(huán)境變化敏感，可用于研究分子聚集狀態(tài)、氫鍵等。④能量轉(zhuǎn)移：可用于研究分子間能量轉(zhuǎn)移過程。⑤光穩(wěn)定性：通過測定熒光衰減曲線評估材料的光穩(wěn)定性。⑥器件表征：可用于表征器件中活性層薄膜的結(jié)晶度、缺陷態(tài)等。四、論述題1.結(jié)合分子間相互作用（如氫鍵、π-π堆積）的原理，論述如何通過分子設(shè)計策略來調(diào)控有機半導(dǎo)體薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)和載流子遷移率。解析：分子間相互作用是調(diào)控有機半導(dǎo)體薄膜有序性的關(guān)鍵因素。通過分子設(shè)計可以調(diào)控這些相互作用：①氫鍵設(shè)計：引入給體-受體單元形成分子內(nèi)或分子間氫鍵，可以驅(qū)使分子有序排列，形成特定的超分子結(jié)構(gòu)（如柱狀、層狀），有利于π電子離域和載流子傳輸。設(shè)計氫鍵的強度和方向可以精確調(diào)控晶格參數(shù)和分子堆疊方式。②π-π堆積設(shè)計：設(shè)計共軛體系長度、平面性，引入合適的取代基調(diào)節(jié)范德華力，可以影響分子在薄膜中的排列方式（平行、堆疊角度等）。良好的π-π堆積有利于形成有序的柱狀或?qū)訝罹B(tài)結(jié)構(gòu)，促進電子在晶體內(nèi)部的傳輸，提高載流子遷移率。③平衡調(diào)控：在實際設(shè)計中藥平衡考慮氫鍵和π-π堆積的作用，使分子既能有效堆積形成良晶，又不過于rigid導(dǎo)致運動受限。可以通過理論計算（如DFT）預(yù)測不同設(shè)計下分子間相互作用和有序結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)實驗合成和器件制備，最終實現(xiàn)載流子遷移率的調(diào)控。2.論述分子傳感的基本原理，并舉例說明一種基于分子識別的光電傳感器及其在環(huán)境監(jiān)測或生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。解析：分子傳感的基本原理是基于傳感材料與目標(biāo)分析物分子間發(fā)生選擇性識別（如特異性結(jié)合、競爭性結(jié)合等）后，引起傳感材料某種性質(zhì)的（可檢測的）變化。這種性質(zhì)的變化可以被轉(zhuǎn)換成可測量的信號，如光學(xué)信號（熒光、顏色變化）、電信號（電位、電阻、電容變化）、色譜信號等。傳感過程通常包括：目標(biāo)物擴散到傳感界面、與傳感材料發(fā)生選擇性識別、識別事件導(dǎo)致傳感材料性質(zhì)變化、性質(zhì)變化轉(zhuǎn)換為可測信號。基于分子識別的光電傳感器利用了這種選擇性識別過程，通過目標(biāo)物與傳感分子結(jié)合導(dǎo)致的光學(xué)性質(zhì)變化（如熒光強度、波長、壽命變化）來檢測目標(biāo)物。例如：氣體傳感器。利用對特定氣體分子（如CO、NO2、NH3）具有選擇性識別能力的有機材料（如金屬有機框架MOFs、共軛聚合物、熒光探針）作為傳感層。當(dāng)目標(biāo)氣體分子與傳感材料接觸并發(fā)生選擇性吸附或反應(yīng)時，會引起傳感材料的光學(xué)性質(zhì)（如熒光強度減弱或波長紅移）發(fā)生可逆或不可逆的變化。這種變化可以通過光學(xué)讀數(shù)裝置（如光電二極管）檢測到，從而實現(xiàn)對目標(biāo)氣體的定量檢測。在環(huán)境監(jiān)測中，此類傳感器可用于檢測空氣中的污染物；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于檢測呼出氣體中的代謝物，用于疾病診斷。3.選擇一種你感興趣的光電功能分子（如有機半導(dǎo)體、光致變色分子等），詳細(xì)闡述其結(jié)構(gòu)特點、工作原理以及潛在的應(yīng)用前景。解析：選擇：有機光致變色分子（以螺吡喃衍生物為例）。結(jié)構(gòu)特點：螺吡喃（spirobipyran）及其衍生物是一類典型的光致變色分子，其核心結(jié)構(gòu)為一個含氧雜環(huán)（如氧雜蒽）通過一個單鍵連接到另一個苯環(huán)，分子中存在一個亞甲基氧鍵（-CH=O-）。在紫外光照射下，亞甲基氧鍵異構(gòu)化為亞甲基硫鍵（-CH=SH-），分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顏色由無色或黃色變?yōu)樽仙蛏钏{色。當(dāng)用可見光照射時，可以部分或完全恢復(fù)到原來的無色或黃色形式。工作原理：螺吡喃的光致變色過程是一個可逆的準(zhǔn)熱力學(xué)可逆異構(gòu)化過程。紫外光提供能量，使分子克服能壘，從基態(tài)（通常為反式，無色）異構(gòu)化為順式異構(gòu)體（有色）。順式異構(gòu)體在能量上高于反式異構(gòu)體，當(dāng)吸收能量較低的光（如可見光）或環(huán)境溫度升高時，可以發(fā)生逆反應(yīng)，重新轉(zhuǎn)化為反式異構(gòu)體。這