Electronic Structure of Zinc-5,10,15,20-tetraethynylporphyrin: Evolution from the Molecule to a One-Dimensional Chain, a Two-Dimensional Covalent Organic Framework, and a Nanotube

共价键 分子 纳米管 分子轨道 化学物理 碳纳米管 电子结构 密度泛函理论 周期边界条件 材料科学 纳米技术 原子轨道 计算化学 化学 边值问题 电子 物理 量子力学 有机化学
作者
Xiaojuan Ni,Jean‐Luc Brédas
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (3): 1334-1341 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c04013
摘要

Zinc-5,10,15,20-tetraethynylporphyrin (Zn-TEP) has been used as a building block to prepare one-dimensional (1D) chains, two-dimensional (2D) covalent organic frameworks, as well as nanotubes that represent molecular analogues of carbon nanotubes. It is of interest then to evaluate the electronic-structure evolution of Zn-TEP from the zero-dimensional (0D) molecule to the 1D chain, the 2D COF, and the nanotubes. Here, based on density functional theory calculations, we discuss the effects of dimensionality on the electronic structure of Zn-TEP by describing the fundamental relationship between the frontier molecular orbitals of Zn-TEP and the electronic bands in periodic lattices. Wavevector-independent flat bands appear in all the periodic systems due to the absence of wave function contribution on the meso carbons in the Zn-TEP frontier molecular orbitals. A zone-folding approach coming from a tight-binding model effectively captures the connection between the 2D COF and the nanotube when applying periodic boundary conditions along the circumferential direction around the nanotubes. Importantly, the Zn-TEP nanotube has a totally flat lowest conduction band, which provides an organic material platform to explore a variety of many-body phenomena.
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