太赫兹频率下的超材料具有独特的应用前景，但其大规模制备面临挑战。我们改进了微结构聚合物光学纤维的制备工艺，可低成本地实现超材料的制备，有望达到工业规模。我们制备出含有铟金属丝的聚甲基丙烯酸甲酯纤维，其中铟丝直径约为10 μm，间距约为100 μm，表现出太赫兹波段的等离激元响应。
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本文内容
摘要
摘要
超材料是一类人工合成材料，通过组装远小于其工作波长的组分单元而制成1。它们的电磁特性取决于其结构组成，而非构成它们的原子本身。例如，亚波长金属导线可以被排列成在特定频率下具有有效介电常数，该常数可为正值或负值，这与金属本身的性质截然不同2。这种对光行为前所未有的调控能力，有望催生一系列新型器件，例如隐身斗篷3、负折射率材料4以及能够分辨衍射极限以下物体的透镜5。然而，工作在光学、中红外和太赫兹频率范围的超材料通常采用纳米和微米加工技术制备，这些方法成本高昂，且所制样品尺寸最多仅为几厘米6-7。本文介绍一种可制备数百米长、呈光纤形态的金属导线超材料的制造方法，该材料表现出太赫兹等离激元响应8。我们结合用于制备微结构聚合物光学光纤的堆叠拉丝技术9与泰勒导线工艺10，将铟导线置于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）管内。选用PMMA是因为它是一种易于操作、可拉丝的电介质材料，在太赫兹波段具有合适的光学性能；选用铟是因为其熔点为156.6 °C，适合与PMMA共拉丝。我们将一根直径为1 mm、纯度为99.99%的铟导线置于内径（ID）为1 mm、外径（OD）为12 mm的PMMA管中，并将一端密封。将该管抽真空后拉制成外径为1.2 mm的初级光纤。然后将所得光纤切割成小段，并重新堆叠至更大的PMMA管中。将此堆叠结构的一端密封后送入炉中，在快速拉丝过程中，结构直径缩小至原来的十分之一，长度则增加至原来的100倍。此类光纤具有微米和纳米尺度的结构特征，本质上柔韧、可大规模生产，并可编织成具有自然界中不存在的电磁特性的材料。它们为从太赫兹到光学频率范围内的多种新型器件提供了有前景的平台，例如隐身光纤、可编织的负折射率织物以及超分辨透镜。
方案
概述
复合铟/PMMA光纤（图3）是通过拉制一束包含单根铟丝的PMMA光纤（图2）制成的，而这些PMMA光纤本身需由现有的PMMA管材和线材制备。具体步骤如下：
- 制备一种包含单根直径适合手动堆叠的铟丝的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纤维。为此，首先准备一根可容纳1 mm铟丝的PMMA管（第1节），然后插入铟丝并拉制成所需尺寸（第2节）。
- 将所得的单根含铟PMMA纤维进行堆叠，并拉制成所需尺寸（第3节）。
第4和第5部分详细描述了在第2和第3部分中使用的绘制流程。
1. 制备PMMA包覆管
用于包覆1 mm铟丝的PMMA护套管是通过在初次拉制过程（第4节）中拉伸和套接标准PMMA管制成的，最终得到内径为1 mm、外径为12 mm的PMMA护套管。
- 将内径6 mm、外径12 mm的PMMA管切割为600 mm长度。在套管过程中，应准备多根PMMA管以备后续使用。
- 将PMMA管置于退火炉中，在90 °C下退火至少5天。
- 从退火炉中取出一根PMMA管，并使其冷却至室温。
- 用异丙醇擦拭纸清....
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结果
采用所述技术制备了超材料纤维。该纤维由包含直径为100 μm连续铟丝的1 mm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纤维预制棒组装而成，如图2所示；而该预制棒本身又是通过将直径为1 mm的铟丝置于10 mm聚合物护套内拉制而成，该聚合物护套由适当尺寸的聚合物管套接制成，如图1示意图所示。一张展示具有太赫兹（THz）范围内等离激元响应的超材料纤维横截面的显微镜图像见图3。
等离激元响应表现为：在低频时材料呈现金属特性（透射率低），而在高频时呈现电介质特性（透射率高），等离子体频率则定义了这两种行为之间的分界。在此特定情况下，等离子体频率预计为 1.2 THz，但通过调节拉丝速度，可轻易改变该频率，进而改变导线的半径和间距，如参考文献8所述。当入射太赫兹波的电场方向沿导线方向时，该超材料光纤所表现出的高通滤波行为可通过太赫兹时域光谱法进行测量11。
图4.i.a展.......
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讨论
本文介绍的技术能够制备出具有微米级特征尺寸、连续数千米长的三维超材料，其在太赫兹（THz）波段具有等离激元响应（因而具有可调控的介电常数），并有效表现为一种高通滤波器。该特性可通过太赫兹时域光谱技术进行实验表征11。此类纤维状超材料可被切割并堆叠成块体材料，以实现大量器件的制造，或编织进其他结构中；例如，当与在此波段具有负磁导率的超材料纤维结合时，可实现负折射率材料12。需要注意的是，通过本文所介绍技术的变体方法，也可批量制备具有磁响应性的纤维13。
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披露
未声明任何利益冲突。
致谢
本研究获得了澳大利亚研究理事会发现项目资助计划（项目编号 DP120103942）的支持。B. T. K. 和 A. A. 分别获得了澳大利亚研究理事会未来研究员项目（FT0991895）和澳大利亚研究 fellowship（DP1093789）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 纯度99.99%、直径1 mm的铟丝 | AIM Specialty | 可应要求提供 | www.aimspecialty.com http://www.aimspecialty.com/Portals/0/Files/Indium.pdf |
| 2-丙醇（异丙醇） | Sigma-Aldrich | 产品编号 190764 | http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/products.html?TablePage=17292086 |
| 胶带 | Staples | ||
| PTFE生料带，5 m × 12 mm宽 × 0.2 mm厚 | RS Components | RS库存编号 231-964 | http://uk.rs-online.com/web/p/ptfe-tapes/0231964/ |
| 50 微米厚铝箔胶带 | Advance Adhesive Tapes | AT506 | http://www.advancetapes.com/Products/types/9/page1/81 |
| 蓝丁胶 | Bostik | http://www.blutack.com/index.html | |
| 快干型Araldite胶 | Selleys | http://selleys.com.au/adhesives/household-adhesive/araldite/quick-set | |
| PMMA管： - 内径6 mm，外径12 mm - 内径9 mm，外径12 mm | B M Plastics：塑料加工 | 可应要求提供 | http://www.bmplastics.com.au/about-us.htm |
| 设备要求 | |||
|
参考文献
- Cai, W., Shalaev, V. Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications. , Springer. (2010).
- Pendry, J. B., Holden, A. J. Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures. Phys. Rev. Lett. 76, 4773-4776 (1996).
- Schurig, D., Mock, J. J.
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