Organic-inorganic hybrid doped with rhodamine dyes for light emitting applications

Abstract

Materiais híbridos orgânico-inorgânicos dopados com corantes orgânicos, rodamina 6G e B (R6G e RB), foram caracterizados por espectroscopia de absorção, fotoluminescência e difracção de raios-X. As matrizes são constituídas por redes siliciosas covalentemente ligadas por pontes de ureia a nove unidades de oxietileno (CH2CH2O) e são conhecidas como material híbrido di-ureasil. Os padrões de difracção dos pós e os espectros de fotoluminescência mostram que os corantes orgânicos se encontram fortemente associados ao domínio do material híbrido diureasil. Os espectros de emissão registados para amostras dopadas com corantes de baixa concentração (0.008%) apresentam duas bandas de emissão na gama de baixo e alto comprimento de onda. Estas duas bandas de emissão são provenientes do híbrido di-ureasil e dos corantes indicando que ambos são materiais opticamente activos. Quando a concentração dos corantes é aumentada de 0.008% para 0.1% são feitas duas observações. A primeira indica que a emissão proveniente do híbrido di-ureasil a baixa concentração foi suprimida. Isto exprime claramente que existe uma forte transferência de energia do híbrido di-ureasil para as moléculas de corante. Os espectros de excitação do di-ureasil e do corante também confirmam a presença de transferência de energia do híbrido para o corante. A segunda consiste no facto de que a emissão proveniente do corante é deslocada para o vermelho e a banda é acompanhada por desdobramentos. Isto mostra a presença de mais do que um componente emissor devido a diferentes tipos de agregados de corante. Esta evidência é também confirmada por espectroscopia de absorção uma vez que o pico de absorção é deslocado para o vermelho com a concentração. O aumento nas intensidades de emissão dos materiais é também observado com o aumento na concentração dos corantes. Isto foi manifestado também no rendimento quântico absoluto de emissão dos materiais. Os rendimentos quânticos absolutos de emissão de 65% para amostras dopadas com RB e de 70% para amostras dopadas com R6G com concentração de 0.1% indicam que os materiais híbridos têm elevado rendimento quântico de emissão, colocando-os como candidatos para aplicações de emissão de luz. O resultado de XRD exibe um padrão idêntico ao padrão de difracção do di-ureasil não dopado indicando que o corante incorporado não altera as características estruturais dos diureasil não dopados. No entanto, a posição 2q significativa da interferência de difusão interparticular do domínio silicioso num meio polimérico [28] é deslocada para um valor inferior em 1.5º. Isto sugere que os corantes orgânicos são incorporados no domínio orgânico do híbrido di-ureasil.

Organic-inorganic hybrid materials doped with organic dyes, rhodamine 6G and B (R6G and RB), were characterized with absorption spectroscopy, photoluminescence, and X-ray diffraction techniques. The host matrix is a silica-based network to which nine oxyethylene (CH2CH2O) repeat units are covalently grafted by urea linkages and is known as di-ureasil hybrid material. The x-ray powder diffraction patterns and photoluminescence spectra show that the organic dyes are entrapped strongly in the organic domain of the di-ureasil hybrid material. The emission spectra recorded for samples doped with dyes of low concentration (0.008%) have two emission bands at low and high wavelength ranges. These two emission bands are due to the emissions both from the di-ureasil hybrid and the dyes indicating that both the host and the guest are optically active materials. When the concentration of the dyes increase from 0.008% to 0.1% there are two things observed. The first one is that the emission from the di-ureasil hybrid is suppressed from where it existed when the concentration was low. This clearly indicates that there is strong energy transfer from the di-ureasil hybrid to the dye molecules. The excitation spectra of the di-ureasil and the dye further confirmed the presence of an energy transfer from the host to the dye. The second thing was that the emission from the dye was observed red shifted and the band was accompanied by shoulders. This shows the presence of more than one emitting components which are due to different types of dye aggregates. This is also confirmed by the absorption spectroscopy as the absorption peak is red shifted with concentration. The increase in the emission intensities of the materials is also observed with the increase in the concentration of the dyes. This was also manifested in the absolute emission quantum yield of the material. The absolute emission quantum yields of 65% for RB and 70% for R6G doped samples with concentration of 0.1% signify that the hybrid materials have large emission quantum yield which put them as candidates for light emitting applications. The XRD result shows a pattern similar with the diffraction pattern of neat di-ureasil hybrid material indicating that the incorporated dye does not alter the structural features of the neat diureasil. Nonetheless, a 2q position signifying the interparticle scattering interference of the siliceous domain in a polymer rich medium [28] is shifted to lower value by 1.5º. This suggests that the organic dyes are incorporated in the organic domain of the di-ureasil hybrid.