Organic-inorganic hybrids for green photonics

Abstract

The presente work aims to synthesize new bridge silsesquioxanes organic-inorganic hybrid materials, and characterize the local structure and photoluminescence properties overlooking potential applications in the area of green photonics, namely, in solid-state lighting and luminescent solar concentrators. In this context, three distinct families of materials based on six precursors which differ in their structural organization were synthesized, i.e. precursors with structure: 1) linear where the organic component is based on malonamide group, P2-m and P4-m; 2) linear which has been added an aromatic ring whose organic part is based on amide and/or thioamida, P(UU), P(UT) and P(TT) and 3) branched which the organic component is based on amide group, t-UPTES (5000). Two organic-inorganic hybrids (M2-m e M4-m) which results from hydrolysis and condensation of the precursors P2-m e P4-m were synthetized. The role of the presence of one or two malonamide groups was studied in terms of local structure and photoluminescence properties. Three organic-inorganic hybrids H(UU), H(UT) and H(TT) based on P(UU), P(UT) and P(TT) were synthesized and structurally characterized aiming to study the role of the hydrogen bond in the self-assembling of these materials. The presence of different types of hydrogen bonds (bifurcated, linear and cyclic) induces different conformations which affect the physical properties (mechanical and optical) of the materials. Hybrids based on t-UPTES(5000) precursor were synthesized based on different synthesis strategies. Changing the concentration of HCl and water content as well as the synthesis in a controlled environment allowed the improvement of the optical properties of this system, in particular, the absolute emission quantum yield and the absorption coefficient. In addition, it were studied the recombination mechanisms responsible for the emission through the comparison between the corresponding photoluminescence properties of the organic and inorganic models. Finally, due to the structural simplicity of the precursors P2-m and P4-m, these were doped with Eu3+. The local structure of the corresponding hybrids shows local coordination between the ion and the host. Efficient materials concerning the absolute emission quantum yield values motivated the development of luminescent solar concentrators with a maximum absolute emission quantum yield of 0.600.06 and optical conversion efficiency in the absorption spectral region (300-380 nm) of 12.3%.

O presente trabalho propõe sintetizar novos materiais híbridos orgânicos-inorgânicos do tipo silsesquioxanos em ponte e caracterizar a sua estrutura e propriedades de fotoluminescência com vista a potenciais aplicações na área da fotónica sustentável, nomeadamente, iluminação de estado sólido e concentradores solares luminescentes. Neste âmbito, foram sintetizadas três famílias distintas de materiais baseados em seis precursores que diferem na sua organização estrutural, ou seja, precursores com estrutura: 1) linear onde a componente orgânica é baseada no grupo malonamida, P2-m e P4-m; 2) linear onde foi adicionado um anel aromático cuja componente orgânica é baseada em amida e/ou thioamida, P(UU), P(UT) e P(TT), e 3) tri-ramificada onde a componente orgânica é baseada no grupo amida, t-UPTES(5000). Dois híbridos orgânicos-inorgânicos (M2-m e M4-m) que resultam da hidrólise e condensação dos precursores P2-m e P4-m foram sintetizados. O papel da presença de um ou dois grupos malonamida foi estudado em termos de estrutura local e propriedades de fotoluminescência. Três híbridos orgânicos-inorganicos, H(UU), H(UT) e H(TT), baseados, respetivamente, em P(UU), P(UT) e P(TT), foram sintetizados e caracterizados estruturalmente com o objetivo de estudar o papel das ligações de hidrogénio na auto-organização destes materiais. A presença de diferentes tipos de ligações de hidrogénio (bifurcada, linear e cíclica) induz diferentes tipos de configurações que têm influência nas propriedades físicas (mecânicas e óticas) dos materiais. Híbridos baseados no precursor t-UPTES(5000) foram sintetizados tendo em conta diferentes estratégias de síntese. A variação da concentração de HCl e quantidade de água bem como a síntese em ambiente controlado permitiram melhorar as propriedades óticas deste sistema nomeadamente, o rendimento quântico absoluto e o coeficiente de absorção. Foram também discutidos, os mecanismos de recombinação responsáveis pela emissão através da comparação das propriedades de fotoluminescência observadas nos correspondentes modelos orgânicos e inorgânicos. Finalmente, devido à simplicidade estrutural os precursores P2-m e P4-m, estes foram dopados com Eu3+. A estrutura local dos correspondentes híbridos mostra coordenação local entre o ião e a matriz. Materiais eficientes do ponto de vista de rendimento quântico absoluto motivaram o desenvolvimento de concentradores solares luminescentes que apresentam rendimento quântico absoluto máximo de 0.600.06 e eficiência ótica de conversão na região espetral de absorção (300-380 nm) de 12.3 %.