Vanishing Electronic Band Gap in Two-Dimensional Hydrogen-Bonded Organic Frameworks

堆积 密度泛函理论 带隙 四方晶系 材料科学 接受者 电子能带结构 铁磁性 电子结构 兴奋剂 凝聚态物理 计算化学 结晶学 化学物理 晶体结构 化学 光电子学 物理 有机化学
作者
Chenghao Liu,Allan Wei,Maïline Fok Cheung,Dmitrii F. Perepichka
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (7): 3461-3467 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c00294
摘要

We introduce the concept of two-dimensional donor–acceptor (DA) hydrogen-bonded organic frameworks (HOFs) as a general design strategy to realize low-band-gap flat-band materials. We report the electronic structure calculations for a series of hexagonal and tetragonal DA-HOFs from aromatic quinones and cyclic fused oligopyrroles. Density functional theory calculations show that these HOFs possess reasonable binding energies (∼10 kcal/mol). The HOFs show very strong charge transfer interactions that enhance the DA abilities while maintaining localized orbital distributions. This leads to vanishingly low band gaps (Eg ∼ 0.02–0.07 eV) but with extremely flat bands (bandwidth <0.06 eV). The partial filling of these bands via p- or n-doping leads to Stoner ferromagnetism, with stabilization energies up to 100 meV. Stacking the layers results in the metallization of the porous networks with varying energy dispersions. The symmetry of the band structures can be easily modified by the chemical constituent to represent, for example, Kagome and Lieb lattices.
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