有机半导体材料.docx

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有机半导体材料

有机半导体材料

1有机半导体材料的分子特征

有机半导体材料与传统半导体材料的区别不言自明，即有机半导体材料都是由有机分子组成的。

有机半导体材料的分子中必须含有_键结构。

如图1所示，在碳-碳双键结构中，两个碳原子的pz轨道组成一对_轨道（_􀀀和_），其成键轨道（_􀀀）与反键轨道（_）的能级差远小于两个_轨道之间的能级差。

按照前线轨道理论，_􀀀轨道是最高填充轨道（HOMO），_是最低未填充轨道（LUMO）。

在有机半导体的研究中，这两个轨道可以与无机半导体材料中的价带和导带类比。

当HOMO能级上的电子被激发到LUMO能级上时，就会形成一对束缚在一起的空穴-电子对。

有机半导体材料的电学和电子学性能正是由这些激发态的空穴和电子决定的。

在有机半导体材料分子里，_键结构会扩展到相邻的许多个原子上。

根据分子结构单元的重复性，有机半导体材料可分为小分子型和高分子型两大类。

小分子型有机半导体材料的分子中没有呈链状交替存在的结构片断，通常只由一个比较大的_共轭体系构成。

常见的小分子型有机半导体材料有并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等（如图2），常见的高分子型有机半导体材料则主要包括聚乙炔型、聚芳环型和共聚物型几大类，其中聚芳环型又包括聚苯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等类型（如图3）。

事实上，由于有机分子的无限可修饰性，有机半导体材料的结构类型可以说是无穷无尽的。

图2:

几种常见的小分子有机半导体材料：

（1）并五苯型，

（2）三苯基胺类，（3）富勒烯，（4）酞菁，（5）苝衍生物和（6）花菁类。

图3:

几种常见的高分子有机半导体材料：

（1）聚乙炔型，

（2）聚芳环型，（3）共聚物型。

2有机半导体材料中的载流子

我们知道无机半导体材料中的载流子只有电子和空穴两种，自由的电子和空穴分别在材料的导带和价带中传输。

相形之下，有机半导体材料中的载流子构成则要复杂得多。

首先，由于能稳定存在的有机半导体材料的能隙（即LUMO与HOMO的能级差）通常较大，且电子亲和势较低，大多数有机半导体材料是p型的，也就是说多数材料只能传导正电荷。

无机半导体材料中的正电荷（即空穴）是高度离域、可以自由移动的，而有机半导体材料中的正电荷所代表的则是有机分子失去一个电子（通常是HOMO能级上的电子）后呈现的氧化状态。

因此，在有机半导体材料中引入一个正电荷，必然导致有机分子构型的改变。

以结构最为简单的共轭聚合物——聚乙炔为例（如图4）,由于其分子链是由碳碳单键（C-C）和碳碳双键（C=C）交替构成的，分子链上可以同时存在两种不同的分子构型，即图中的A相和B相，而这两相的能量是一样高的（也就是说，聚乙炔的两种基态是简并的）。

若聚乙炔分子链受到热激发，则链段的构型可以从A相克服扭转能垒转变成B相。

当A相和B相在同一条分子链上存在时，在其接合处就会形成一个“畴壁”（如图5）。

A想和B想之间的畴辟代表了一种被激发的能量状态，并且能在分子链上进行传递，我们把它定义为“孤子（Soliton）”。

孤子的形成，在聚乙炔的HOMO和LUMO能级之间引入了一个新的能级（如图6）。

对于中性的孤子来说，这个能级上有且只有一个电子，这个电子可以有两种不同的自旋状态；若孤子失去一个电子，则成为一个带正电荷的孤子（孤子能级上没有电子）；若孤子得到一个额外的电子，则成为一个带负电荷的孤子（孤子能级上有两个电子）。

带电荷的孤子倾向于与一个电中性的孤子结合，形成一个“极化（Polaron）”。

在未掺杂（亦称为“本征态”）的聚乙炔里，只存在中性的孤子，没有电荷的载体，因此是一种绝缘体，不能导电。

日本科学家白川英树发现，对聚乙炔进行氧化掺杂（即加入一定量的化剂）之后，聚乙炔薄膜的电导率大为提高。

以碘掺杂为例：

[CH]n32xI2􀀀!

[CH]nxxI􀀀3

（1）

碘单质夺走了聚乙炔链上的电子，亦即在其分子链上引入了带正电荷的极化子。

碘掺杂的聚乙炔以极化子作为正电荷的载体（正电载流子），从而使聚乙炔由绝缘体转变成为半导体。

若分子的基态非简并，则载流子的构成更为复杂一些。

以聚噻吩为例（如图7），其基态包括两种能量不同的构型，分别称为“芳香式”和“菎式”。

芳香式结构的_电子共面性更好，因此能量更低些。

当聚噻吩分子失去一个电子，分子链上会形成一个正电自由基，同时一定链段的芳香式结构会转化为菎式（如图8）；这样的正电自由基结构，亦称为“极化子”。

当聚噻吩分子失去两个电子，则分子链上会形成两个极化子；居于同一条分子链上的两个正电自由基是极不稳定的，它们会迅速结合在一起，形成一个带两个正电荷的结构，称为“双极化子”。

推广一下，极化子与双极化子就是大多数有机半导体材料中的主要载流子。

3有机半导体材料中的电传输

如前所述，无机半导体中的载流子是高度离域的，在外加电压的作用下会在连续的导带或者价带中定向移动。

而在有机半导体材料中，分子与分子之间仅有微弱的范德华力，载流子的离域程度通常仅限于一个分子之内。

只有在有机半导体的单晶材料中才会出现载流子在几个相邻分子之间离域的情况。

因此，在非晶态的有机半导体材料中，电荷在不同分子之间的传递要通过“跳跃（Hopping）”的方式完成。

跳跃传输的有效程度与相邻分子之间的_重叠程度有关，_重叠度越高，跳跃传输的速度越快。

很显然，跳跃传输远不如无机半导体中的带传输有效，所以有机半导体材料中的载流子迁移率通常很低，多数在10􀀀5cm2V􀀀1s􀀀1左右。

另外，无机半导体的载流子迁移率通常会随着温度的上升而下降，因为材料中的缺陷会随温度的升高而增加，从而增加载流子的复合几率。

而与此不同的是，非晶态有机半导体材料中的载流子迁移率会在一定范围办随着温度的增加而提高。

这也反映了有机半导体材料与无机半导体材料中载流子传输机理上的本质不同。

各个有机分子的共轭轨道，可以视为载流子的一个个束缚区域，而载流子的跳跃传输就是从一个束缚区跳入另一个束缚区，亦即先要逃脱一个束缚区的束缚，才能跳跃到另一个束缚区。

摆脱束缚需要一定的热激发，所以温度在一定范围内升高时，有机半导体中的载流子迁移率会有所上升。

此外，有机半导体材料中的载流子迁移率还与材料的掺杂程度有很大关系。

如前所述，有机半导体的掺杂，即在其中引入氧化剂或还原剂，用以形成极化子及双极化子等载流子。

有研究表明，掺杂物可以充当有机分子之间的桥梁，把一个共轭区域内的载流子快速地引到另一个共轭区域里。

因此，在多数情况下，适量的掺杂可以明显地提高有机半导体材料中的载流子迁移率。

4有机半导体材料的应用领域

相对于无机材料，有机材料的最重要优势是其近乎无限的可修饰性。

通过改变有机分子的分子构成及元素成分，有机材料的性能可以在很大范围内进行调整，也就更有机会充分接近实际应用的要求。

因此，在功能材料方面，近年已经有大量原先采用无机材料的应用领域转用了有机材料。

例如显示器，早期的CRT显示器是用电子束扫描荧光粉来成像的，所用的荧光粉都是无机材料（如Y2O3:

Eu，Y2O2S:

Eu等）；而目前主流的液晶显示器中最主要的功能材料——液晶，则是典型的有机材料。

再如打印机及复印机的硒鼓，早期的硒鼓是硒材料一统江湖，而如今以有机分子作为光敏层的“硒鼓”已经占有相当大的市场份额。

当前大量采用有机半导体材料的主要有以下领域：

1.光盘。

当下主流的DVD光盘通常以花菁（显蓝绿色）及酞菁（显金黄色）为数字信息的载体。

这些有机半导体材料在激光照射下会改变分子构型，从而完成0和1的记录。

2.有机发光二极管，即OLED。

OLED以有机半导体异质结为基础，通过电子和空穴在异质结处的湮灭而发光。

OLED可以制成柔性的、大面积的显示器。

3.传感器。

对有机半导体材料进行掺杂或者去掺杂会极大地改变其电性质，这个特点可以利用在传感器上，因为有许多待检测的气体本身可以作为有机半导体材料的掺杂剂。

4.有机太阳能电池。

在能源领域的应用，将是有机半导体材料的最有意义的应用，这也是惟华光能的主营业务。

有机太阳能电池的工作原理与应用特点将在下一节中详述。

作物品质生理生化与检测技术试题

专业：

作物栽培学与耕作学姓名：

马尚宇学号：

S2009180

一、名词解释或英文缩写

1.完全蛋白质与不完全蛋白质

完全蛋白质：

completeprotein含有全部必需氨基酸的蛋白质即为完全蛋白质。

不完全蛋白质：

incompleteprotein不含有某种或某些必需氨基酸的蛋白质称为不完全蛋白质。

2.加工品质和营养品质

加工品质：

processingquality包括磨面品质（一次加工品质）和食品加工品质（二次加工品质）。

磨面品质指籽粒在磨成面粉的过程中，对面粉工艺所提出的要求的适应性和满足程度。

食品加工品质指将面粉加工成面食品时，给类面食品在加工工艺和成品质量上对小麦品种的籽粒和面粉质量提出的不同要求，以及对这些要求的适应性和满足程度。

营养品质：

nutritionalquality指其所含的营养物质对人（畜）营养需要的适应性和满足程度，包括营养成分的多少，各营养成分是否全面和平衡。

3.氨基酸的改良潜力

（氨基酸最高含量－平均含量）/平均含量×100

4.简单淀粉粒和复合淀粉

简单淀粉粒：

小麦、玉米、黑麦、高粱和谷子，每个淀粉体中只有一粒淀粉称为简单淀粉粒。

复合淀粉：

水稻和燕麦中每个淀粉质体中含有许多淀粉粒，称为复合淀粉粒。

5.淀粉的糊化作用和凝沉作用

糊化作用：

淀粉粒不溶于冷水，若在冷水中，淀粉粒因其比重大而沉淀。

但若把淀粉的悬浮液加热，到达一定温度时（一般在55℃以上），淀粉粒突然膨胀，因膨胀后的体积达到原来体积的数百倍之大，所以悬浮液就变成粘稠的胶体溶液。

这一现象，称为“淀粉的糊化”，也有人称之为α化。

淀粉粒突然膨胀的温度称为“糊化温度”，又称糊化开始温度。

凝沉作用：

淀粉的稀溶液，在低温下静置一定时间后，溶液变混浊，溶解度降低，而沉淀析出。

如果淀粉溶液浓度比较大，则沉淀物可以形成硬块而不再溶解，这种现象称为淀粉的凝沉作用，也叫淀粉的老化作用。

6.可见油脂和不可见油脂

可见油脂：

经过榨油或提取，使油分从贮藏器官分离出来，供食用或食品加工等利用的

油脂，如花生油，菜籽油等。

不可见油脂：

不经榨取随食物一起食用的油脂，如米、面粉、肉、蛋、乳制品等含有的油脂。

7.必需脂肪酸和非必需脂肪酸

必需脂肪酸：

为人体健康和生命所必需,但机体自己不能合成,必须依赖食物供应，它们都是不饱和脂肪酸。

非必需脂肪酸：

是机体可以自行合成，不必依靠食物供应的脂肪酸,它包括饱和脂肪酸和一些单不饱和脂肪酸。

8.沉淀值和降落数值

沉淀值：

sedimentationvalue小麦在规定的粉碎和筛分条件下制成十二烷基硫酸钠（SDS）悬浮液，经固定时间的振摇和静置后，悬浮液中的面粉面筋与表面活性剂SDS结合，在酸的作用下发生膨胀，形成絮状沉积物，然后测定该沉积物的体积，即为沉淀值。

降落数值：

fallingnumber指一定量的小麦粉或其他谷物粉和水的混合物置于特定黏度管内并浸入沸水浴中，然后以一种特定的方式搅拌混合物，并使搅拌器在糊化物中从一定高度下降一段特定距离，自黏度管浸入水浴开始至搅拌器自由降落一段特定距离的全过程所需要的时间（s）即为降落数值。

降落数值越高表明的活性越低，降落数值越低表明α-淀粉酶活性越高。

9.氨基酸化学比分和标准模式

氨基酸的化学比分：

食物蛋白质（Ax）中各必需氨基酸的含量与等量标准蛋白质（Ae）中相同氨基酸含量的百分比，即为化学比分。

标准模式：

FAO/WHO根据人体生理需要在100g优质蛋白中氨基酸应该达到的含量（g）。

10.面筋和面筋指数

面筋：

wheatgluten面粉加水揉搓成的面团，在水中反复揉洗后剩下的具有弹性和延伸性的物质，主要成份是谷蛋白和醇溶性蛋白，是小麦所特有的物质。

面筋指数：

优质面筋占总面筋的百分比。

代表了面筋的质量，与面团溶张势，与拉伸仪的拉伸面积和面包体积都显著正相关，面筋指数低于40%和高于95%都不适合制作面包。

二、简答题

1.简述品质测试中精密度、正确度和准确度的关系。

精密度是指在相同条件下n次重复测定结果彼此相符合的程度。

精密度的大小用偏差表示，偏差越小说明精密度越高。

准确度是指测得值与真值之间的符合程度。

准确度的高低常以误差的大小来衡量。

即误差越小，准确度越高；误差越大，准确度越低。

应当指出的是，测定的精密度高，测定结果也越接近真实值。

但不能绝对认为精密度高，准确度也高，因为系统误差的存在并不影响测定的精密度，相反，如果没有较好的精密度，就很少可能获得较高的准确度。

可以说精密度是保证准确度的先决条件。

当已知或可以推测所测量特性的真值时，测量方法的正确度即为人们所关注。

尽管对某些测量方法，真值可能不会确切知道，但有可能知道所测量特性的一个接受参考值。

例如，可以使用适宜的标准物料或者通过参考另一种测量方法或准备一个已知的样本来确定该接受参考值。

通过把接受参考值与测量方法给出的结果水平进行比较就可以对测量方法的正确度进行评定。

正确度通常用偏倚来表示。

2.简述作物品质的控制因素、制约因素和影响因素。

作物品质的控制因素主要是生物遗传（遗传因素）、品种特性（非遗传因素）等。

作物品质的制约因素主要是栽培（土壤结构和耕作栽培方法）、气候（降雨和数量、光照度和温度）等。

作物品质的影响因素主要是病虫害（锈病、腥黑穗病、根腐病和赤霉病）、收获（收获延后、收获期雨淋、热损伤）、贮藏（霉变、虫蛀）等。

3.麦谷蛋白和醇溶蛋白质电泳各用什么方法，简述主要步骤。

麦谷蛋白电泳使用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳，即SDS-PAGE技术。

该方法的基本原理是蛋白质在一定浓度的含有强还原剂的SDS溶液中与SDS分子按比例结合，形成带负电荷的SDS-蛋白质复合物。

这种复合物由于结合大量的SDS，是蛋白质丧失了原有的电荷而形成仅保持原有分子大小为特征的负离子集团。

由于SDS与蛋白质的结合是按重量成比例的，电泳时，蛋白质分子的迁移速度只取决与分子大小。

主要步骤如下：

样品提取制胶电泳（恒流）检测（染色、脱色和保存）

（1）样品提取

①从待测的小麦样品中取一粒种子，用样品钳夹碎，倒入已编号的1.5ml离心管中，在管上标明重量，待测。

②按1:

10的比例加入50%异丙醇提取液（mg:

μl），在60-65℃水中水浴20-30min。

③第一次水浴后。

取出离心管，放置在室温条件下提取2h，期间振荡几次。

④将离心管1000rpm离心10min，弃去上清液，再按1:

10比例加入50%异丙醇提取液进行第二次水浴。

⑤第二次水浴后，室温下提取2h，1000rpm离心10min，弃去上清液。

⑥按1:

7的比例加入HMW-GS样品提取液，搅拌均匀，至于60-65℃水浴2h，中间振荡1-2次。

⑦提取液10000rpm离心10min取上清液，4℃冰箱保存备用。

（2）制胶

①擦板：

先用自来水将板的正反面洗净擦干，然后用酒精和Repel试剂将玻璃板内面擦拭干净。

②封槽：

将玻璃板底部先用凡士林封住，擦干净后再用橡皮膏粘紧。

③灌胶

第一步：

按分离胶贮液所需比例配分离胶，然后灌胶，将板倾斜一定角度防气泡出现，灌完分离胶立即在胶的表面加正丁醇压平。

第二步：

待分离胶与正丁醇之间形成明显界限后，用滤纸吸出正丁醇，把配好的浓缩胶倒入分离胶上面，灌胶后立即插入样品梳。

（3）加样

①10000rpm，10min离心备用样品液

②待浓缩胶交联后小心取出样品梳，用弯管注射器迅速冲洗样品孔2-3次，所用冲洗液为稀释1倍的电极缓冲液。

③样品孔内加电极缓冲液，用50μl微量注射器点样，每样品孔内加8μl样品提取液，两端加标准样品。

（4）电泳将玻璃板装入电泳槽，对于16×20cm玻璃板，在恒流条件下电泳14h。

红线插电源正极，黑线插电源负极。

（5）染色

电泳完毕，把浓缩胶切去，用充分吸水蓬松的毛笔在胶的一角小心挑起，靠重力作用小心取下胶板，放入塑料盘内，加入400ml10%三氯乙酸染色液和10ml考马斯亮蓝。

（6）脱色、照相

将染过色的胶放在自来水中脱色即可，脱色时间越长，蛋白带越清晰。

醇溶蛋白电泳使用酸性-聚丙烯酰胺凝胶电泳，即A-PAGE电泳。

其原理如下：

A-PAGE电泳使用相同孔径的凝胶、相同缓冲系统的样品缓冲液，为连续电泳，只用分离胶，不用浓缩胶，使用恒压电泳。

主要步骤如下：

样品提取制胶加样电泳染色脱色保存

A-PAGE电泳时，样品称重夹碎放入0.5ml的离心管中按1:

5的比例加入提取液，振荡提取。

电泳时，采用恒压500v，恒温15-18℃电泳。

电泳时间一般为45-55min，时间的确定为甲基绿迁移至底板所需时间的4倍。

，染色需要过夜，脱色时使用蒸馏水脱色。

连接电源时，接线与SDS-PAGE电泳接线相反，电泳槽黑线（负极）连接电泳仪正极，红线连接电泳仪正极。

4.简述A、B、C型淀粉粒的形成过程。

A型和B型淀粉粒在发育时，子粒中先形成A型淀粉粒，而后再形成B型淀粉粒，不论A或B型淀粉粒，在其发育的过程中，都是首先形成小淀粉粒核，随后淀粉分子在核表面的沉积形成成熟淀粉粒。

在花后4d或之前，最初的球形淀粉粒开始在淀粉体中形成，并成为A-型淀粉粒的核，核再通过葡聚糖聚合体的逐步积累而生长，最终形成A-型淀粉粒。

B-型淀粉粒首先在A-型淀粉粒和淀粉体膜之间出现，然后膜向细胞质突出并收缩释放出B-型淀粉粒。

C-型淀粉粒在花后21d开始合成。

5.简述质构仪在食品物理特性方面的应用。

（1）在面粉品质评价中的应用

质构仪拉伸试验参数中的拉伸距离与面团的流变学特性指标有很好的相关性，拉断力与拉断应力能较好地反映面粉吸水率的大小，拉伸距离对反映面粉筋力强弱有很好的预测性，质构仪拉伸试验参数中的拉断力与拉断应力与面粉粘度特性指标有密切关系。

质构仪测定的拉伸面积、拉伸阻力、延伸度和拉伸比例可用于评价面团的强度、弹性和延伸性，可以较全面地评价和确定面粉的品质和适用范围。

（2）在面条、面包和馒头等面类食品品质评价中的应用

与面条感官评价指标呈显著相关的质构仪TPA指标为硬度、弹性、胶着性和恢复性，TPA硬度和胶着性能较好反映面条感官适口性。

TPA硬度和胶着性能部分反映面条表观状态和韧性，TPA弹性和恢复性能部分反映面条粘性和光滑性。

除粘着性外，不同品种间煮熟面条的质构仪指标差异显著，表明TPA硬度、弹性、粘聚性、胶着性和咀嚼性均可反映品种间面条的质地结构差异，可作为评价面条结构特性的客观量化指标。

所以，质构仪TPA指标硬度能较好地反映面条的软硬度和总评分。

馒头面包等面类食品同样如此。

（3）在大米品质评价中的应用

由于大米弹性、黏着性、硬度、黏度与大米的蒸煮指标之间存在显著的相关性，因此可以用质构仪测定的弹性、黏着性、硬度、黏度来代替蒸煮指标中的碘盐值、膨胀率、米汤干物质、吸水率来评价大米的食用品质。

（4）在肉制品品质评价中的应用

肉的弹性可使用质构仪的一次压缩法测最大力、或一次压缩法测外力作功值的方法进行测定，两种方法的弹性测量值与感官对照值都有很好的相关性。

（5）在酸奶品质评价中的应用

通过质构仪的A/BE反挤压装置测定的一系列力的变化可以反应出酸奶的不同特性。

正的力值和面积越大，说明酸奶越稠厚、内聚力越大，对活塞下压时的抵抗力越大，也说明酸奶爽滑性、细腻度越差；负的力值说明酸奶对活塞的附着性，即力的绝对值越大，奶粘性越大，活塞上提时粘在其上的越多，一般较稠的酸奶粘性较大。

（6）在果蔬品质评价中的应用

在水果中的应用主要包括测试其成熟度、坚实度、果皮或果壳的硬度、果实的脆性及果皮或果肉的弹性等;在蔬菜中的应用主要指测试其成熟度、硬度、酥脆度、弹性、断裂强度、韧性、柔软性以及纤维度等。

（7）在其他食品品质评价中的应用

除上述食品外，还可用于蜂蜜、果酱、米线、饺子等多种食品品质的评价，其测定的结果具有较高的灵敏度和客观性。

6.用中文标注粉质图谱和RVA图谱上的主要品质指标。

（见试卷）

三、综合题

结合个人研究方向，设计一个作物品质的研究方案。

硕士研究生的开题题目是《不同畦长和畦宽对冬小麦耗水特性和产量的影响》，试验以济麦22为供试材料，在山东省兖州市小孟镇史家王子村进行大田试验。

试验设3个畦宽，分别为1.0m、1.5m和2.0m；每个畦宽设4个畦长，分别为10m、20m、40m和60m。

随机区组设计，3次重复。

不同畦宽间隔离带宽2m，不同畦长间隔离带宽1m。

各处理均在拔节期和开花期灌水，除畦首外，浇前和浇后沿灌水水流方向每隔10m取一个点，测定该点处0-200cm土层土壤相对含水量。

灌水时，当水流前锋达到畦长长度的90%位置时，停止灌水，记录灌水量和灌水时间。

根据试验处理，拟对取点处的成熟籽粒样品进行品质测定。

品质测定指标包括以下内容：

（1）籽粒容重。

（2）面筋含量和面筋指数

（3）吹泡仪参数测定

（4）粉质参数

（5）糊化参数

（6）蛋白质含量

根据测定的品质指标结果以及产量和水分利用效率的综合指标选择最适宜的畦田畦长和畦宽组合，为小麦的节水高产栽培提供理论依据和技术支持。