Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

OPTICAL PROPERTIES OF CdTe NANOPARTICLES IN WATER

A.I. Kashuba, R.Y. Petrus, O.S. Kushnir, H.A. Ilchuk, I.V. Semkiv and N.Y.Kashuba

Author Information
1,*A.I. Kashuba ORCID logo, 2R.Y. Petrus ORCID logo, 3O.S. Kushnir ORCID logo , 1H.A. Ilchuk ORCID logo , 1I.V. Semkiv ORCID logo , 1N.Y.Kashuba ORCID logo
1Department of General Physics, Lviv Polytechnic National University, 12 Bandera Street, 79013 Lviv, Ukraine
2Carl von Ossietzky University of Oldenburg, Institute of Physics, Carl-von-Ossietzky-Stra?e 11, 26129 Oldenburg, Germany
3Department of Optoelectronics and Information Technologies, Ivan Franko National University of Lviv, 107 Tarnavsky Street, 79017 Lviv, Ukraine
*Corresponding author: *andrii.i.kashuba@lpnu.ua

ABSTRACT

We report on the optical properties of CdTe nanoparticles (NPs) located in water and the same NPs in water placed onto a fused quartz substrate, i.e., the structure (CdTe NPs in water) / quartz. The optical parameters are calculated for different concentrations of the CdTe NPs in water (in the interval 0–100% with the step 10%). The optical transmission and reflection, the refractive index, and the extinction coefficient are found using a transfer-matrix method. All the optical properties are analyzed in the spectral range 500–1500 nm. The optical dielectric functions ε1 and ε2 are calculated from the spectral dependences of the refractive index and the extinction coefficient. The high-frequency dielectric constant, the ratio of the carrier density to the effective carrier mass, and the relaxation time are obtained from the dispersion of the optical dielectric function. These parameters are analyzed depending on the CdTe NP concentration in water.

Keywords: CdTe nanoparticles, relaxation time, refractive index, optical transmission, optical reflection, optical dielectric function

UDC: 535.3, 538.9

    1. da Costa, P. F. G. M., Merízio, L. G., Wolf, N., Terraschke, H., de Camargo, A. S. S. (2024). Real-time monitoring of CdTe quantum dots growth in aqueous solution. Sci. Rep., 14, 7884.
      doi:10.1038/s41598-024-57810-8
    2. Garcia-Arellano, G., Bernardot, F., Karczewski, G., Testelin, C., Chamarro, M. (2019). Spin relaxation time of donor-bound electrons in a CdTe quantum well. Phys. Rev. B, 99, 235301.
      doi:10.1103/PhysRevB.99.235301
    3. Chen, Y., Okuno, T., Masumoto, Y., Terai, Y., Kuroda, S., Takita, K. (2005). Spin relaxation in CdTe quantum dots. Phys. Rev. B, 71, 033314.
      doi:10.1103/PhysRevB.71.033314
    4. Kashuba, A., Semkiv, I., Rudysh, M., Ilchuk, H., Shchepanskyi, P. (2024). Ring and linear structures of CdTe clusters. Quant. Rep., 6 (3), 349-358.
      doi:10.3390/quantum6030022
    5. Sanz, M., Correa-Duarte, M. A., Liz-Marzán, L.-M., Douhal, A. (2008). Femtosecond dynamics of CdTe quantum dots in water. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 196 (1), 51-58.
      doi:10.1016/j.jphotochem.2007.11.012
    6. Shavel, A., Gaponik, N., Eychmu1ller, A. (2006). Factors governing the quality of aqueous CdTe nanocrystals: calculations and experiment. J. Phys. Chem. B, 110, 19280-19284.
      doi:10.1021/jp063351u
    7. Gutiérrez-Lazos, C. D., Ortega-López, M., Rosendo, E., Ortega-Avilés, M., Sánchez-Reséndiz, V., Hernández-Hernández, A., Meléndez-Lira, M., Matsumoto-Kuwabara, Y., Espinoza-Rivas, A. M., Pérez-Guzmán, M. A. (2012). Synthesis of CdTe quantum dots in aqueous solution and their optical and structural characterization. Sci. Adv. Mater., 4 (5/6), 604-608.
      doi:10.1166/sam.2012.1326
    8. Ri, M.-I., Han, Y.-S., Choe, K.-S. (2020). Scattering property of aqueous solution of CdTe quantum dots with gold nanoparticles. Opt. Commun., 458 (1), 124768.
      doi:10.1016/j.optcom.2019.124768
    9. Wuister, S. F., Swart, I., van Driel, F., Hickey, S. G., de Mello Donegá, C. (2003). Highly luminescent water-soluble CdTe quantum dots. Nano Lett., 3 (4), 503-507.
      doi:10.1021/nl034054t
    10. Mackay, T. G., Lakhtakia, A. (2020). The transfer-matrix method in electromagnetics and optics. In: Mackay, T. G., Lakhtakia, A. (Eds), Synthesis Lectures on Electromagnetics. Springer Cham, Springer Nature, Switzerland.
      doi:10.1007/978-3-031-02022-3
    11. Petrus, R., Nilius, N. (2024). Oppromus: a new software tool to analyze optical properties of flat multilayer systems with arbitrarily shaped nanoscale inclusions. Available at SSRN:
      doi:10.2139/ssrn.4988706
    12. Bergman, D. J. (1991). Effective medium approximation for nonlinear conductivity of a composite medium. In: Dal Maso, G., Dell'Antonio, G. F. (Eds), Composite Media and Homogenization Theory. Progress in Nonlinear Differential Equations and Their Applications, Vol. 5. Birkhäuser, Boston.
      doi:10.1007/978-1-4684-6787-1_5
    13. Tjaden, B., Cooper, S. J., Brett, D. J. L., Kramer, D., Shearing, P. R. (2016). On the origin and application of the Bruggeman correlation for analysing transport phenomena in electrochemical systems. Current Opinion in Chem. Engin., 12, 44-51.
      doi:10.1016/j.coche.2016.02.006
    14. Treharne, R. E., Seymour-Pierce, A., Durose, K., Hutchings, K., Roncallo, S., Lane, D. (2011). Optical design and fabrication of fully sputtered CdTe/CdS solar cells. J. Phys: Conf. Ser., 286, 012038.
      doi:10.1088/1742-6596/286/1/012038
    15. Kedenburg, S., Vieweg, M., Gissibl, T., Giessen, H. (2012). Linear refractive index and absorption measurements of nonlinear optical liquids in the visible and near-infrared spectral region. Opt. Mater. Express, 2, 1588-1611.
      doi:10.1364/OME.2.001588
    16. Polyanskiy, M. N. (2024). Refractiveindex.info database of optical constants. Sci. Data, 11, 94.
      doi:10.1038/s41597-023-02898-2
    17. Petrus, R., Ilchuk, H., Kashuba, A., Semkiv, I., Zmiiovska, E. (2020). Optical properties of CdTe thin films obtained by the method of high-frequency magnetron sputtering. Funct. Mater., 27 (2), 342-347.
      doi:10.15407/fm27.02.342
    18. Koushki, E., Mousavi, S.H., Jafari Mohammadi, S.A., Majles Ara, M.H., de Oliveira, P.W. (2015). Optical properties of aluminum oxide thin films and colloidal nanostructures. Thin Solid Films, 592 (A), 81-87.
      doi:10.1016/j.tsf.2015.09.003
    19. Kushnir, O. S. (2003). Effect of multiple reflections of light on the optical characteristics of crystals. J. Opt.: Pure & Appl., 5, 178-488.
      doi:10.1088/1464-4258/5/5/308
    20. Marple, D. T. F. (1964). Refractive index of ZnSe, ZnTe, and CdTe. J. Appl. Phys., 35, 539-542.
      doi:10.1063/1.1713411
    21. Fasasi, A. Y., Ngom, B. D., Kana-Kana, J. B., Bucher, R., Maaza, M., Theron, C., Buttner, U. (2009). Synthesis and characterisation of Gd-doped BaTiO3 thin films prepared by laser ablation for optoelectronic applications. J. Phys. Chem. Solids, 70 (10), 1322.
      doi:10.1016/j.jpcs.2009.06.022
    22. Strauss, A. J. (1977). The physical properties of cadmium telluride. Rev. Phys. Appl. (Paris). 12 (2), 167-184.
      doi:10.1051/rphysap:01977001202016700
    23. Ma, H., Leng, J. (2013). Ultrafast electron spin dynamics in bulk CdTe investigated by femtosecond pump-probe reflection spectroscopy. Phys. Lett. A, 377 (31-33), 1974-1978.
      doi:10.1016/j.physleta.2013.05.039
    24. Abu-Farsakh, H., Gul, B., Khan, M. S. (2023). Investigating the optoelectronic and thermoelectric properties of CdTe systems in different phases: a first-principles study. ACS Omega, 8 (16), 14742-14751.
      doi:10.1021/acsomega.3c00757
    25. Padilha, L. A., Neves, A. A. R., Cesar, C. L., Barbosa, L. C., Brito Cruz, C. H. (2004). Recombination processes in CdTe quantum-dot-doped glasses. Appl. Phys. Lett., 85 (15), 3256-3258.
      doi:10.1063/1.1801683
    26. Wu, F., Lewis, J. W., Kliger, D. S., Zhang, J. Z. (2003). Unusual excitation intensity dependence of fluorescence of CdTe nanoparticles. J. Chem. Phys., 118 (1), 12-16.
      doi:10.1063/1.1533733
    27. Klimov, V. I., Mikhailovsky, A. A., McBranch, D. W., Leatherdale, C. A., Bawendi, M. G. (2000). Mechanisms for intraband energy relaxation in semiconductor quantum dots: the role of electron-hole interactions. Phys. Rev. B, 61, R13349.
      doi:10.1103/PhysRevB.61.R13349

    Ми повідомляємо про оптичні властивості наночастинок (НЧ) CdTe у воді та цих же НЧ у воді, поміщених на підкладку з плавленого кварцу, тобто структури (НЧ CdTe у воді) / кварц. Розраховано оптичні параметри для різного вмісту НЧ CdTe у воді в інтервалі 0–100% із кроком 10%. За допомогою методу матриці трансферу знайдено оптичне пропускання та відбивання, показник заломлення та коефіцієнт екстинкції. Усі оптичні властивості проаналізовано в спектральному діапазоні 500–1500 нм. Оптичні діелектричні функції ε1 і ε2 обчислено за спектральними залежностями показника заломлення та коефіцієнта екстинкції. На підставі дисперсії оптичних діелектричних функцій одержано високочастотну діелектричну проникність, відношення щільності носіїв до їхньої ефективної маси і час релаксації. Ці параметри проаналізовано залежно від концентрації НЧ CdTe у воді.

    Ключові слова: наночастинки CdTe, час релаксації, показник заломлення, оптичне пропускання, оптичне відбивання, оптична діелектрична функція

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©