2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——光電材料中的分子結(jié)構(gòu)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在有機(jī)光電材料中，引入雜原子（如N,O,S,Se）的主要目的之一是（）。A.增加分子的量子產(chǎn)率B.降低分子的熔點(diǎn)C.調(diào)節(jié)分子最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)，影響光吸收和電荷傳輸D.增強(qiáng)分子的熒光量子產(chǎn)率2.共軛體系的長(zhǎng)度和規(guī)整性對(duì)有機(jī)光電材料的光學(xué)性質(zhì)影響顯著。通常情況下，共軛體系越長(zhǎng)，（）。A.寬帶吸收和發(fā)射藍(lán)移B.窄帶吸收和發(fā)射紅移C.熒光量子產(chǎn)率顯著提高D.電荷遷移率顯著降低3.分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）發(fā)光過程通常具有的特點(diǎn)是（）。A.發(fā)射峰位與激發(fā)峰位接近，斯托克斯位移小B.發(fā)射峰位顯著紅移于激發(fā)峰位，斯托克斯位移大C.熒光壽命通常很長(zhǎng)D.對(duì)溶劑極性變化不敏感4.有機(jī)半導(dǎo)體材料中，影響電荷傳輸速率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素之一是（）。A.分子的溶解度B.分子間的相互作用強(qiáng)度和堆積有序性C.分子的熒光強(qiáng)度D.分子的分子量大小5.在有機(jī)太陽能電池（OSC）中，給體材料和受體材料之間形成激基復(fù)合物（J-aggregate）通常有利于（）。A.電荷的有效分離B.電荷的快速?gòu)?fù)合C.提高材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度D.增加材料的熒光發(fā)射6.紫外-可見（UV-Vis）光譜主要用于研究有機(jī)光電材料的（）。A.核磁環(huán)境B.分子構(gòu)象C.電子躍遷能級(jí)和發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)D.分子間氫鍵7.對(duì)于用于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的發(fā)光材料，通常要求（）。A.激發(fā)態(tài)和基態(tài)的分子結(jié)構(gòu)差異很大B.HOMO能級(jí)低于電極功函數(shù)，LUMO能級(jí)高于電極功函數(shù)C.熒光量子產(chǎn)率高，發(fā)光顏色可調(diào)范圍寬，熱穩(wěn)定性好D.電荷遷移率越高越好8.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要能夠提供有機(jī)光電材料的（）信息。A.分子紅外振動(dòng)頻率B.分子核磁化學(xué)位移C.晶體或非晶態(tài)下的分子堆積結(jié)構(gòu)D.分子熒光光譜9.分子對(duì)稱性對(duì)有機(jī)光電材料的性能有重要影響。具有高對(duì)稱性的分子通常（）。A.容易形成液晶相B.熒光斯托克斯位移較大C.禁戒電子躍遷，吸收光譜消失D.電荷傳輸方向性強(qiáng)10.拉曼光譜（RamanSpectroscopy）與紅外光譜（IRSpectroscopy）相比，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是（）。A.對(duì)水吸收不敏感B.可以提供分子振動(dòng)模式的信息C.對(duì)樣品的樣品狀態(tài)（晶體、粉末、液體）要求不高D.可以用于檢測(cè)分子的對(duì)稱性二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.有機(jī)光電材料分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常需要考慮其光學(xué)性質(zhì)（如吸收、發(fā)射）、電荷傳輸性質(zhì)以及材料的______、______和穩(wěn)定性。2.影響有機(jī)分子光吸收光譜位置的主要因素包括分子中共軛體系的______、______以及發(fā)色團(tuán)種類等。3.分子間通過______（如氫鍵、范德華力）和堆積方式（如頭對(duì)頭、肩并肩）會(huì)影響分子的整體能量、電子結(jié)構(gòu)和光電性能。4.研究分子結(jié)構(gòu)與光電性能關(guān)系常用的計(jì)算方法包括密度泛函理論（DFT）和______等。5.有機(jī)光致變色材料通常具有在光照下其分子結(jié)構(gòu)或價(jià)態(tài)發(fā)生______，撤去光照后可恢復(fù)原狀的特點(diǎn)。6.在有機(jī)太陽能電池中，給體和受體材料混合形成的______是光生激子的主要產(chǎn)生場(chǎng)所。7.核磁共振（NMR）波譜可以提供關(guān)于分子______和______的信息。8.分子熒光量子產(chǎn)率（Φf）的定義是分子在激發(fā)態(tài)衰減為基態(tài)的______與總衰減速率之比。9.對(duì)于有機(jī)電致發(fā)光器件，通常要求發(fā)光層材料的HOMO能級(jí)低于陽極功函數(shù)，LUMO能級(jí)高于______。10.理解分子結(jié)構(gòu)與光電性能的關(guān)系是設(shè)計(jì)新型高效有機(jī)光電材料的關(guān)鍵，這需要綜合運(yùn)用各種______和______手段。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述分子量對(duì)有機(jī)光電材料性能可能產(chǎn)生的影響。2.簡(jiǎn)述影響有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸速率的主要因素。3.簡(jiǎn)述紫外-可見光譜如何反映有機(jī)分子共軛體系的變化。4.簡(jiǎn)述分子間氫鍵對(duì)有機(jī)光電材料性能可能產(chǎn)生的影響。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述分子結(jié)構(gòu)與有機(jī)光致變色材料的光致變色性能之間的關(guān)系。2.論述分子堆積結(jié)構(gòu)（如晶態(tài)和非晶態(tài)）對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸性能的影響。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述表征技術(shù)在研究有機(jī)光電材料分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系中的作用。試卷答案一、選擇題1.C解析：雜原子（如N,O,S,Se）具有孤對(duì)電子或能級(jí)與π軌道能級(jí)相近，可以與π軌道相互作用，從而調(diào)節(jié)分子的HOMO和LUMO能級(jí)，進(jìn)而影響分子的吸收波長(zhǎng)、發(fā)光波長(zhǎng)以及電荷注入和傳輸能力。2.B解析：根據(jù)分子軌道理論，共軛體系越長(zhǎng)，π電子離域范圍越大，體系能量越低，禁帶寬度減小，吸收和發(fā)射光子的能量降低，導(dǎo)致吸收和發(fā)射峰位紅移。3.B解析：ICT發(fā)光涉及電子從給體態(tài)到受體態(tài)的躍遷，這個(gè)過程中的能量損失（如振動(dòng)弛豫）較大，因此發(fā)射峰位通常顯著紅移于激發(fā)峰位，斯托克斯位移較大。4.B解析：有機(jī)半導(dǎo)體的電荷傳輸主要發(fā)生在分子間。分子間通過弱的相互作用（如范德華力、氫鍵）形成的有序堆積結(jié)構(gòu)，有利于形成良好的電子傳輸通道，從而影響電荷的傳輸速率。5.A解析：J-aggregate是給體和受體分子通過特定方式結(jié)合形成的超分子聚集體，其能級(jí)相對(duì)于單體發(fā)生紅移，并且聚集體結(jié)構(gòu)可以有效阻礙激子內(nèi)的電荷分離，有利于激子解離成自由電荷。6.C解析：UV-Vis光譜主要研究分子價(jià)電子（n→π*,π→π*）躍遷。這些躍遷對(duì)應(yīng)于分子吸收紫外或可見光，吸收峰的位置和強(qiáng)度與分子的發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)、共軛程度以及生色團(tuán)周圍的環(huán)境密切相關(guān)。7.C解析：理想的OLED發(fā)光材料應(yīng)具有高的熒光量子產(chǎn)率（避免系間竄越損失）、可調(diào)的發(fā)光顏色（通過調(diào)節(jié)能級(jí)實(shí)現(xiàn)）、良好的熱穩(wěn)定性（保證器件壽命）、合適的能級(jí)（利于電荷注入和平衡）以及良好的溶解性和加工性能。8.C解析：XRD技術(shù)通過分析樣品對(duì)X射線的衍射圖譜，可以揭示物質(zhì)在晶體狀態(tài)下的原子或分子排列（晶格結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、晶面間距等）以及非晶態(tài)材料的短程有序信息。9.A解析：高對(duì)稱性分子通常具有多個(gè)對(duì)稱元素，導(dǎo)致某些振動(dòng)模式禁阻，使得紅外光譜譜圖相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，高對(duì)稱性有利于分子有序排列，可能形成更規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，影響電荷傳輸?shù)姆较蛐浴?0.A解析：紅外光譜對(duì)水蒸氣高度敏感，而拉曼光譜對(duì)水吸收不敏感，這使得拉曼光譜特別適用于分析含水樣品或水溶液中的有機(jī)分子。二、填空題1.過程性；加工性能解析：設(shè)計(jì)有機(jī)光電材料時(shí)，不僅要考慮其內(nèi)在的光電性能，還要考慮材料能否通過常見的加工方法（如旋涂、噴涂、印刷）形成均勻、致密的功能層。2.長(zhǎng)度；規(guī)整性解析：共軛體系的長(zhǎng)度和是否連續(xù)、規(guī)整直接影響π電子離域程度，是決定分子能級(jí)、吸收和發(fā)射光譜位置的關(guān)鍵因素。3.相互作用解析：分子間通過氫鍵、范德華力等相互作用力以及形成的堆積結(jié)構(gòu)（晶態(tài)或非晶態(tài)）共同決定了材料的宏觀物理性質(zhì)和光電性能。4.分子力學(xué)（MM）解析：分子力學(xué)方法通過計(jì)算原子間的相互作用勢(shì)能來模擬分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是研究分子結(jié)構(gòu)與性能的常用計(jì)算手段之一，與DFT方法互補(bǔ)。5.可逆變化解析：光致變色材料的核心特征是其結(jié)構(gòu)或價(jià)態(tài)能在光照下發(fā)生可逆的變化，導(dǎo)致顏色改變，撤去光照后恢復(fù)原狀。6.形貌解析：給體和受體材料在薄膜中的混合方式、相分離尺寸和形貌（如納米顆粒、核殼結(jié)構(gòu)）直接影響激子的解離效率和電荷的收集。7.連接方式；化學(xué)環(huán)境解析：NMR譜圖反映了原子核（主要是1H和13C）在周圍磁場(chǎng)環(huán)境中的行為，可以推斷出原子間的連接方式（化學(xué)鍵類型）、分子的骨架結(jié)構(gòu)以及取代基的化學(xué)環(huán)境。8.熒光壽命對(duì)應(yīng)的輻射衰減解析：Φf=(輻射衰減速率)/(總衰減速率)，其中輻射衰減速率對(duì)應(yīng)于分子從激發(fā)態(tài)通過熒光途徑衰減到基態(tài)的過程。9.陰極功函數(shù)解析：為了實(shí)現(xiàn)有效的電荷注入，發(fā)光層材料的LUMO能級(jí)需要高于陰極的功函數(shù)以便電子注入，HOMO能級(jí)需要低于陽極的功函數(shù)以便空穴注入。10.實(shí)驗(yàn)；計(jì)算解析：研究分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征手段（如光譜、衍射、電學(xué)測(cè)試等）獲取數(shù)據(jù)，以及計(jì)算模擬方法（如DFT、MM等）進(jìn)行理論預(yù)測(cè)和機(jī)理分析。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述分子量對(duì)有機(jī)光電材料性能可能產(chǎn)生的影響。答：分子量對(duì)有機(jī)光電材料性能的影響是多方面的。適中的分子量有利于分子的溶解和加工，有利于形成規(guī)整的薄膜結(jié)構(gòu)，從而提高電荷傳輸能力。但過高的分子量可能導(dǎo)致分子鏈纏結(jié)，阻礙電荷傳輸，并可能降低材料的結(jié)晶度。過低的分子量則可能導(dǎo)致分子間相互作用弱，薄膜穩(wěn)定性差，不利于器件的長(zhǎng)期工作。此外，分子量也可能影響材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和玻璃化后的鏈段運(yùn)動(dòng)。2.簡(jiǎn)述影響有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸速率的主要因素。答：影響有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸速率的主要因素包括：①分子結(jié)構(gòu)與能級(jí)：分子前線軌道（HOMO/LUMO）能級(jí)位置影響電荷注入和傳輸?shù)碾y易程度；分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）效率影響激發(fā)態(tài)電荷分離；分子最低激發(fā)態(tài)（S1）與基態(tài)能級(jí)差影響系間竄越速率。②分子間相互作用與堆積：分子間通過氫鍵、范德華力等相互作用以及形成的堆積結(jié)構(gòu)（晶格參數(shù)、取向、缺陷密度）直接影響電荷傳輸通道的連續(xù)性和有效性。③晶相結(jié)構(gòu)：結(jié)晶度越高、晶粒越大、晶界越少，通常有利于電荷的長(zhǎng)程傳輸。④溫度：溫度升高通常有利于克服傳輸勢(shì)壘，提高電荷遷移率。⑤外場(chǎng)：施加電場(chǎng)可以加速電荷的漂移傳輸。3.簡(jiǎn)述紫外-可見光譜如何反映有機(jī)分子共軛體系的變化。答：紫外-可見光譜通過測(cè)量分子對(duì)紫外和可見光的吸收來反映其生色團(tuán)和共軛體系的信息。對(duì)于有機(jī)分子，π→π*躍遷和n→π*躍遷是主要的吸收峰。共軛體系的長(zhǎng)度、擴(kuò)展程度以及取代基的性質(zhì)都會(huì)影響這些躍遷的能級(jí)，從而改變吸收峰的位置（波長(zhǎng)）和強(qiáng)度。一般來說，共軛體系越長(zhǎng)、越規(guī)整，π→π*躍遷的吸收波長(zhǎng)越紅移（能量越低）。引入給電子基團(tuán)會(huì)使吸收峰紅移，引入吸電子基團(tuán)會(huì)使吸收峰藍(lán)移。共軛體系的破壞（如斷鏈、引入非共軛基團(tuán)）會(huì)導(dǎo)致吸收峰強(qiáng)度降低或消失。因此，UV-Vis光譜是判斷分子中共軛程度變化、鑒定生色團(tuán)種類的重要工具。4.簡(jiǎn)述分子間氫鍵對(duì)有機(jī)光電材料性能可能產(chǎn)生的影響。答：分子間氫鍵是影響有機(jī)光電材料性能的重要結(jié)構(gòu)因素。①影響分子堆積：氫鍵可以作為一種強(qiáng)大的取向力，引導(dǎo)分子形成特定的堆積構(gòu)型（如柱狀、層狀），影響材料的結(jié)晶度、相容性和薄膜形貌。②影響能級(jí)：氫鍵的極化作用會(huì)輕微改變參與氫鍵的原子（如O、N）的電子云分布，從而影響相關(guān)的分子軌道能級(jí)，進(jìn)而影響光電性能。③影響電荷傳輸：規(guī)整的氫鍵網(wǎng)絡(luò)可能為電荷傳輸提供一定的通道，但也可能引入能壘或缺陷，具體影響取決于氫鍵的強(qiáng)度、方向性和密度。④影響光學(xué)性質(zhì)：氫鍵的極性會(huì)影響分子的振動(dòng)光譜，并通過影響分子構(gòu)象和堆積間接影響吸收和發(fā)射光譜。⑤影響熱穩(wěn)定性和溶解性：氫鍵可以增強(qiáng)分子間的相互作用，提高材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱穩(wěn)定性，但也可能影響材料的溶解性。四、論述題1.論述分子結(jié)構(gòu)與有機(jī)光致變色材料的光致變色性能之間的關(guān)系。答：分子結(jié)構(gòu)與有機(jī)光致變色材料的光致變色性能密切相關(guān)。①發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)：光致變色效應(yīng)通常源于分子中特定的發(fā)色團(tuán)（如偶氮苯、螺吡喃、三芳基甲烷等）在光照下發(fā)生可逆的結(jié)構(gòu)異構(gòu)化或價(jià)態(tài)變化。發(fā)色團(tuán)的種類、電子結(jié)構(gòu)和共軛程度決定了其吸收光的能力（所需激發(fā)波長(zhǎng)）以及變色反應(yīng)的效率和可逆性。例如，偶氮苯的光致變色涉及反式-順式異構(gòu)化，其變色效率和恢復(fù)速度受取代基影響很大。②生色團(tuán)數(shù)目與位置：分子中生色團(tuán)的數(shù)量和相對(duì)位置影響光吸收強(qiáng)度和變色效率。生色團(tuán)之間的相互作用（如能級(jí)交錯(cuò)）可能影響變色過程的可逆性和顏色穩(wěn)定性。③非光敏基團(tuán)：非光敏基團(tuán)（如給體、受體）的引入可以調(diào)節(jié)發(fā)色團(tuán)的能級(jí)，影響激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)和變色機(jī)制，并可能影響材料的溶解性、加工性能和熱穩(wěn)定性。④分子整體結(jié)構(gòu)與堆積：分子的空間結(jié)構(gòu)、手性以及分子間的相互作用（如氫鍵）會(huì)影響變色單元的取向和相互作用強(qiáng)度，進(jìn)而影響變色效率和顏色穩(wěn)定性。例如，規(guī)整的堆積有利于光子能量的有效傳遞和協(xié)同變色。⑤能級(jí)匹配：分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)需要與光源能量以及變色過程中的能級(jí)變化相匹配，才能有效地吸收光并發(fā)生變色。因此，通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來調(diào)控發(fā)色團(tuán)的性質(zhì)、能級(jí)以及分子間的相互作用，是優(yōu)化有機(jī)光致變色材料性能的關(guān)鍵。2.論述分子堆積結(jié)構(gòu)（如晶態(tài)和非晶態(tài)）對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸性能的影響。答：分子堆積結(jié)構(gòu)是決定有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸性能的核心因素之一，晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊憴C(jī)制和結(jié)果顯著不同。①晶態(tài)結(jié)構(gòu)：在晶態(tài)結(jié)構(gòu)中，分子排列高度有序、規(guī)則，分子間相互作用強(qiáng)且方向性好。這種規(guī)整的排列有利于形成連續(xù)、低缺陷的電子傳輸通道。沿著特定的晶軸方向，分子軌道可以有效地重疊，形成良好的π電子離域體系，使得電荷（尤其是空穴）能夠沿著分子鏈方向快速遷移，從而具有較高的電荷遷移率。晶粒的大小和取向、晶界處的缺陷密度等也會(huì)影響電荷傳輸?shù)母飨虍愋院驼w效率。②非晶態(tài)結(jié)構(gòu)：在非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中，分子排列無序、隨機(jī)，分子間相互作用較弱且不均勻，存在大量的構(gòu)象和空間位阻。這種無序結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙電荷的連續(xù)遷移，形成許多勢(shì)壘和陷阱。電荷傳輸主要發(fā)生在局部化的分子鏈段之間，或者通過較弱的分子間相互作用形成的跳躍機(jī)制進(jìn)行，導(dǎo)致電荷遷移率顯著降低。非晶態(tài)材料雖然制備相對(duì)簡(jiǎn)單，但通常需要較高的工作電壓才能驅(qū)動(dòng)電荷傳輸，且器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性可能較差。③晶態(tài)/非晶態(tài)的混合：在實(shí)際薄膜中，通常存在從晶態(tài)到非晶態(tài)的連續(xù)分布或混合相結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)電荷傳輸性能具有雙面影響：規(guī)整的晶區(qū)提供高速傳輸通道，無序的非晶區(qū)或晶界則可能成為傳輸?shù)钠款i或缺陷。優(yōu)化分子設(shè)計(jì)和加工工藝，以獲得有利于電荷傳輸?shù)木B(tài)結(jié)構(gòu)（如提高結(jié)晶度、減小晶粒尺寸和缺陷密度、控制分子取向）或構(gòu)建有序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，是提高有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸性能的關(guān)鍵策略。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述表征技術(shù)在研究有機(jī)光電材料分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系中的作用。答：表征技術(shù)在研究有機(jī)光電材料分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的相互作用中扮演著至關(guān)重要的角色，它如同“眼睛”和“探針”，幫助我們可視化分子結(jié)構(gòu)、理解結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制，并指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。具體作用體現(xiàn)在：①確認(rèn)分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成：通過核磁共振（NMR）波譜可以確定分子的碳?xì)涔羌堋⑷〈N類和連接方式，確認(rèn)合成目標(biāo)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；通過質(zhì)譜（MS）可以確定分子的分子量和分子式；紅外（IR）光譜可以鑒定官能團(tuán)。例如，通過NMR確認(rèn)了目標(biāo)共軛聚乙烯撐（PVK）分子的成功合成。②揭示分子堆積結(jié)構(gòu)與物相：X射線衍射（XRD）是研究有機(jī)固體分子堆積結(jié)構(gòu)的利器。它可以確定材料是否結(jié)晶、晶體的晶型、晶格參數(shù)、分子取向等。例如，通過XRD發(fā)現(xiàn)，某種有機(jī)半導(dǎo)體薄膜主要呈現(xiàn)α相，該相具有柱狀堆積結(jié)構(gòu)，有利于電荷在柱內(nèi)的傳輸。③解析光學(xué)性質(zhì)與發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)：紫外-可見（UV-Vis）光譜用于研究分子共軛體系長(zhǎng)度、生色團(tuán)種類以及電子躍遷能級(jí)，與材料的光吸收性能直接相關(guān)；熒光光譜（Fluorescence）和磷光光譜