Thermal Activation Delayed Fluorescence Materials Based on 2-Cyanopyridine Electron Receptors

doi:10.7503/cjcu20230470

Abstract

Abstract:

Four luminescent materials with 2-cyanopyridine as electron acceptor were synthesized， and the effects of different electron donors on the luminescent properties of these materials were investigated. In the single crystal structure of compound 5-（10H-phenothiazin-10-yl）picolinonitrile（PTPN）， the intermolecular hydrogen bond between the pyridine ring and the C—H···π intermolecular interaction between the phenothiazine group form a coplanar molecular configuration between the pyridine ring and the thiophene group， causing its luminescence to blue-shift from 520 nm in the thin film to 400 nm. The luminescence wavelengths of four compounds in polymethyl methacrylate（PMMA） thin films range from 434 to 520 nm. The photoluminescence quantum yields（PLQYs） of 5-（10H-phenoxazin-10-yl）picolinonitrile（PXPN）， PTPN and 5-［9，9-dimethylacridin-10（9H）-yl］picolinonitrile（DAPN）， which are thermally activated delayed fluorescence（TADF） emission， ranges from 0.17 to 0.57. Their delayed fluorescence lifetimes range from 4.1 to 5.3 μs. The values of ΔE_ST are between 0.045 and 0.069 eV. The PLQY of 5-（3，6-di-tert-butyl-9H-carbazol-9-yl）picolinonitrile（BCPN） is 0.91， and its luminescence lifetime is 12.4 ns， indicating fluorescence emission. Electroluminescent device tests have shown that these materials emit green light. The device based on DAPN had the best overall device performance. The maximum brightness of the doped device can reach 2855 cd/m²， and the peak current efficiency（CE）， power efficiency（PE） and external quantum efficiency（EQE） are 37.6 cd/A， 12.6 lm/W and 10.4%， respectively. The device based on BCPN has formed an efficient electroplex with a maximum brightness of 2367 cd/m²， and peak CE， PE and EQE are 29.3 cd/A， 11.5 lm/W and 9.4%， respectively. This study indicates that cyanopyridine receptors can form stable intermolecular hydrogen bonds and can be used for the development of TADF materials.

Key words: Thermally activated delayed fluorescence, Organic light emitting diode, Cyanopyridine, Electron acceptor

CLC Number:

O621.22

TrendMD:

WANG Qingsong, ZHANG Fujun, XU Huihui, CHEN Sihan, ZHANG Qianfeng, TONG Bihai, CHEN Ping, KONG Hui. Thermal Activation Delayed Fluorescence Materials Based on 2-Cyanopyridine Electron Receptors[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(3): 20230470.

Figures/Tables 9

Table 1 Physical properties of as-prepared compounds

Sample	λ $m a x a$ /nm	Φ $P L b$ （%）	Ф_PF/Φ $D F b$ （%）	τ_PF/τ_DF^b / （ns∙μs^-1）	10^-5k_ISC / k_RISC^c /s^-1	ΔE $S T d$ /eV	E $1 / 2 o x$ /V	HOMO ^e /eV	LUMO ^f /eV	E $g o p t$ eV	m.p. ^g /℃	T_d^h /℃
PXPN	518（520）	54	29/25	24.0/4.1	296/0.30	0.052	1.09	-5.89	-3.38	2.51	182	246
PTPN	520（400， 510 sh）	17	3/14	19.9/4.2	517/0.05	0.069	1.13	-5.93	-3.43	2.50	145	282
DAPN	487（474）	57	47/10	22.6/5.3	235/0.07	0.045	1.31	-6.11	-3.37	2.74	108	236
BCPN	434（437）	91	91/—	12.4/—	73/—	0.337	1.54	-6.34	-3.48	2.86	224	274

Table 1 Physical properties of as-prepared compounds

Sample	λ $m a x a$ /nm	Φ $P L b$ （%）	Ф_PF/Φ $D F b$ （%）	τ_PF/τ_DF^b / （ns∙μs^-1）	10^-5k_ISC / k_RISC^c /s^-1	ΔE $S T d$ /eV	E $1 / 2 o x$ /V	HOMO ^e /eV	LUMO ^f /eV	E $g o p t$ eV	m.p. ^g /℃	T_d^h /℃
PXPN	518（520）	54	29/25	24.0/4.1	296/0.30	0.052	1.09	-5.89	-3.38	2.51	182	246
PTPN	520（400， 510 sh）	17	3/14	19.9/4.2	517/0.05	0.069	1.13	-5.93	-3.43	2.50	145	282
DAPN	487（474）	57	47/10	22.6/5.3	235/0.07	0.045	1.31	-6.11	-3.37	2.74	108	236
BCPN	434（437）	91	91/—	12.4/—	73/—	0.337	1.54	-6.34	-3.48	2.86	224	274

Table 2 Summary of device performances of as-prepared compounds

Device（Sample）	λ_EL， $m a x a$ /nm	V $o n b$ /V	L^c /（cd·m^-2）	CE $m a x d$ /（cd·A^-1）	PE $m a x d$ /（lm·W^-1）	EQE $m a x d$ （%）	CIE_x，y^a coordinates
D1（PXPN）	518	6.3	1459	37.4（33.1）	13.7（8.3）	11.2（6.1）	0.32， 0.55
D2（PTPN）	522	6.5	933	20.5（29.7）	8.8（7.3）	6.3（3.0）	0.33， 0.55
D3（DAPN）	514	6.0	2855	37.6（27.2）	12.6（6.5）	10.4（6.8）	0.28， 0.53
D4（BCPN）	514	5.6	2367	29.3（14.4）	11.5（3.1）	9.4（5.6）	0.28， 0.50

Table 2 Summary of device performances of as-prepared compounds

Device（Sample）	λ_EL， $m a x a$ /nm	V $o n b$ /V	L^c /（cd·m^-2）	CE $m a x d$ /（cd·A^-1）	PE $m a x d$ /（lm·W^-1）	EQE $m a x d$ （%）	CIE_x，y^a coordinates
D1（PXPN）	518	6.3	1459	37.4（33.1）	13.7（8.3）	11.2（6.1）	0.32， 0.55
D2（PTPN）	522	6.5	933	20.5（29.7）	8.8（7.3）	6.3（3.0）	0.33， 0.55
D3（DAPN）	514	6.0	2855	37.6（27.2）	12.6（6.5）	10.4（6.8）	0.28， 0.53
D4（BCPN）	514	5.6	2367	29.3（14.4）	11.5（3.1）	9.4（5.6）	0.28， 0.50

References 25

1	Uoyama H.， Goushi K.， Shizu K.， Nomura H.， Adachi C.， Nature， 2012， 492（7428）， 234—238
2	Liu Y. C.， Li C. S.， Ren Z. J.， Yan S. K.， Bryce M. R.， Nat. Rev. Mater.， 2018， 3（4）， 18020
3	Huang T. Y.， Jiang W.， Duan L.， J. Mater. Chem. C， 2018， 6（21）， 5577—5596
4	Liu H. J.， Liu H.， Fan J. Z.， Guo J. J.， Zeng J. J.， Qiu F. L.， Zhao Z. J.， Tang B. Z.， Adv. Opt. Mater.， 2020， 8（21）， 2001027
5	Ma F. L.， Zhao X. X.， Ji H. F.， Zhang D. D.， Hasrat K.， Qi Z. J.， J. Mater. Chem. C， 2020， 8（35）， 12272—12283
6	Cao X. D.， Zhang D.， Zhang S. M.， Tao Y. T.， Huang W.， J. Mater. Chem. C， 2017， 5（31）， 7699—7714
7	Méhes G.， Nomura H.， Zhang Q. S.， Nakagawa T.， Adachi C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2012， 51（45）， 11311—11315
8	Oda S.， Sugitani T.， Tanaka H.， Tabata K.， Kawasumi R.， Hatakeyama T.， Adv. Mater.， 2022， 34（32）， 2201778
9	Liu Y.， Xiao X.， Ran Y.， Bin Z. Y.， You J. S.， Chem. Sci.， 2021， 12（27）， 9408—9412
10	Liu H.， Li J. F.， Chen W. C.， Chen Z. X.， Liu Z. W.， Zhan Q.， Cao X. S.， Lee C. S.， Yang C. L.， Chem. Eng. J.， 2020， 401， 126107
11	Kothavale S.， Lim J.， Lee J. Y.， Chem. Eng. J.， 2022， 431， 134216
12	Zhang D. D.， Cai M. H.， Zhang Y. G.， Zhang D. Q.， Duan L.， Mater. Horiz.， 2016， 3（2）， 145—151
13	Zhang D. D.， Song X. Z.， Gillett A. J.， Drummond B. H.， Jones S. T. E.， Li G. M.， He H. Q.， Cai M. H.， Credgington D.， Duan L.， Adv. Mater.， 2020， 32（19）， 1908355
14	Noda H.， Nakanotani H.， Adachi C.， Sci. Adv.， 2018， 4（6）， eaao6910
15	Baraket F.， Pedras B.， Torres É.， Brites M. J.， Dammak M.， Berberan⁃Santos M. N.， Dyes Pigm.， 2020， 175， 108114
16	Pan K. C.， Li S. W.， Ho Y. Y.， Shiu Y. J.， Tsai W. L.， Jiao M.， Lee W. K.， Wu C. C.， Chung C. L.， Chatterjee T.， Li Y. S.， Wong K. T.， Hu H. C.， Chen C. C.， Lee M. T.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26（42）， 7560—7571
17	Islam A.， Wang Z. H.， Ji S. M.， Usman K.， Abbas S. C.， Li J. G.， Chen L. H.， Iqbal M.， Su S. J.， Ouyang X. H.， Dyes Pigm.， 2019， 170， 107633
18	Yuan W. B.， Hu D.， Zhu M. Y.， Shi W.， Shi C. S.， Sun N.， Tao Y. T.， Dyes Pigm.， 2021， 191， 109395
19	Chen Y. K.， Jayakumar J.， Hsieh C. M.， Wu T. L.， Liao C. C.， Pandidurai J.， Ko C. L.， Hung W. Y.， Cheng C. H.， Adv. Mater.， 2021， 33（35）， 2008032
20	Yuan W. B.， Yang H. N.， Duan C. B.， Cao X. D.， Zhang J.， Xu H.， Sun N.， Tao Y. T.， Huang W.， Chem， 2020， 6（8）， 1998—2008
21	Zhang M.， Hu Y. Y.， Pan M.， Tong B. H.， Wang S.， Zhou H. D.， Shi P.， Zhang Q. F.， Dyes Pigm.， 2019， 165， 11—17
22	Li X. P.， Shen S.， Zhang C. C.， Liu M. Q.， Lu J. J.， Zhu L. L.， Sci. China Chem.， 2021， 64（4）， 534—546
23	Tanaka H.， Shizu K.， Nakanotani H.， Adachi C.， J. Phys. Chem. C， 2014， 118（29）， 15985—15994
24	Qiu W. D.， Cai X. Y.， Li M. K.， Wang L. Y.， He Y. M.， Xie W. T.， Chen Z. J.， Liu M.， Su S. J.， J. Mater. Chem. C， 2021， 9（4）， 1378—1386
25	Xia R. R.， Zhang Z.， Wang H. D.， Wang K.， Li X. F.， Wang Z. X.， Chem. Eng. J.， 2022， 432， 134314

[1]	WANG Yan, ZHANG Fujun, ZHANG Xiaoyu, XU Jiahui, TONG Bihai, CHEN Ping, KONG Hui. Deep Blue Organic Electroluminescent Materials Constructed from Acenaphthene Skeleton [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230368.
[2]	LI Wei, CHEN Chen, LIU Dan, WANG Tao. Hierarchical Aggregates of Non-fullerene Electron Acceptors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230160.
[3]	ZHANG Yongqian, ZHU Xiaoyu, MIAO Junhui, LIU Jun, WANG Lixiang. Effect of Alkyl-chain Branching Position on Molecular Aggregation of All-fused-ring Molecules [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230068.
[4]	SI Wenqin, LI Tengfei, LIN Yuze. Asymmetric Fused-ring Photovoltaic Electron Acceptors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230149.
[5]	WANG Yingjie, PAN Zehui, TAO Zhengyu, WANG Yan, TONG Bihai, FUNG Mankeung, SONG Mingxing. Effect of Intermolecular Interaction on the Properties of Benzophenone-based AIDF Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(4): 20220562.
[6]	WANG Xiaojing, LIU Yixia, LI Yang, YANG Chenzong, FUNG Mankeung, FAN Jian. High-efficiency Near-infrared Thermally Activated Delayed Fluorescence Based on Tetracyano Acceptor [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230274.
[7]	WU Zexin, ZHU Yuanjie, WANG Hongzhong, WANG Junan, HE Ying. Methyl-modified Carbazole/Diphenyl Sulfone-based AIE-TADF Blue Emitter and Its OLEDs [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220371.
[8]	LIU Ke, XU Min-Min, GUO Qing-Hua, YAO Jian-Lin, GU Ren-Ao. Electrochemical SHINERS Spectroscopic Studies on Adsorption of 4-CNPy at TiO₂ Electrodes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(11): 2516.
[9]	CHI Zhen-Guo, HE Ke-Qiang, LI Hai-Yin, ZHANG Xi-Qi, XU Bing-Jia, LIU Si-Wei, ZHANG Yi, XU Jia-Rui. Synthesis and Properties of a Dicarbazolyl Tetraphenylethylene Multi-functional Luminophor [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(04): 725.
[10]	HE Jian^1,2, WANG Peng-Fei¹, LIU Hong-Mei^1,2, ZHANG Xiao-Hong¹*. Synthesis and Photophysical Properties of Tris(pinene-2-phenylpyridine) Iridium Complexes with Alkoxy Groups [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2007, 28(4): 678.
[11]	SHI Min-Min, CHEN Hong-Zheng, SUN Jing-Zhi, YE Jian, WANG Mang . Synthesis and Characterization of a Novel Electron Acceptor——Fluoroperylene Diimide [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2004, 25(3): 454.
[12]	YANG Xiao-Hui, YIN Shou-Gen, WANG Zhen-Jia, HOU Yan-Bing, XU Xu-Rong . Carrier Transport Characteristics of the Soluble PPV Polymer with Main Chain Containing Electron-Transporting Group [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2001, 22(5): 847.