Multilayered hyperbolic metamaterial using 2D MoS2 as constituent
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Resumen en inglés
This research delves into the emerging potential of molybdenum disulfide (MoS2), a transition metal chalcogenide, which has shown promising applications in optoelectronic devices since the global growth of Graphene, owing to its unique tunability of the functional properties with thickness. In the face of conventional fabrication techniques like exfoliation and CVD struggling with scalability and coverage issues, this work introduces a novel two-step bottom-up magnetron sputtering deposition process for synthesizing MoS2 films. This method stands out for its versatility in depositing both amorphous and crystalline MoS2 and its industrial manufacturing scalability, spanning from nanoscale to bulk thicknesses in various architectures. Utilizing a custom-designed Mathematica code based on the Transfer Matrix Approach (TMA) and Fresnel equations, we simulated the optical properties and a complete color palette of our produced MoS2, achieving remarkable alignment with experimental observations. By exploiting the freedom in substrate choice, control over thickness, and the annealing process, we established a correlation between the optical and electrical properties of the material. Furthermore, we demonstrated the method’s efficacy in fabricating a MoS2-based hyperbolic metamaterial by initially simulating the multilayer structure and pase diagram in a Mathematica code based on Effective Medium Theory (EMT) to determine the quantity of our composite to obtain the interesting hyperbolic dispersion relationship, highlighting its potential in advanced optoelectronic applications. Collectively, our study not only underscores the multifaceted advantages of the proposed deposition technique and the same material trends reported in the literature for MoS2 including the increase of the resistivity with both crystallinity and film thickness, but also paves the way for innovative MoS2-based device developments.
Resumen en español
Esta investigación profundiza en el potencial emergente del Disulfuro de Molibdeno (MoS2), un calcogenuro de metal de transición. Desde el auge global del Grafeno, el MoS2 ha demostrado aplicaciones prometedoras en dispositivos optoelectrónicos debido a su capacidad única de modificar sus propiedades funcionales según su grosor. Frente a técnicas de fabricación tradicionales, como la exfoliación y el CVD, que enfrentan retos de escalabilidad y cobertura, este trabajo propone un innovador proceso de deposición por pulverización catódica magnetrónica en dos etapas, desde abajo hacia arriba, para sintetizar películas de MoS2. Este método se distingue por su versatilidad, permitiendo depositar MoS2 tanto amorfo como cristalino, y su escalabilidad en la manufactura industrial, abarcando desde grosores a nivel nanométrico hasta decenas de nanómetros en diversas arquitecturas. Mediante un código diseñado en Mathematica, basado en el Enfoque de Matriz de Transferencia (TMA) y las ecuaciones de Fresnel, simulamos las propiedades ópticas y una paleta completa de colores del MoS2 sintetizado, logrando una notable concordancia con las observaciones experimentales. Gracias a la elección flexible del sustrato, control del grosor, y la posibilidad de recocido o tratamiento térmico establecimos una correlación entre las propiedades ópticas y eléctricas del material. Además, demostramos la eficacia del método al fabricar un metamaterial hiperbólico basado en MoS2, simulando inicialmente su estructura multicapa y diagramas de fase con un código de Mathematica basado en la Teoría del Medio Efectivo (EMT) para así determinar la cantidad de nuestro compuesto para el cual se obtuviese la interesante relación de dispersión hiperbólica, resaltando su potencial en aplicaciones optoelectrónicas avanzadas. En conjunto, nuestro estudio no solo destaca las ventajas multifacéticas de la técnica de deposición propuesta y las mismas tendencias del material reportadas en la literatura para el MoS2, sino que también sienta las bases para el desarrollo de dispositivos innovadores a base de MoS2.