Metamateriali Realizzazione tramite il metodo di disegno fibra

Sommario

Metamateriali a frequenze terahertz offrono opportunità uniche, ma sono difficili da fabbricare in massa. Adattiamo la procedura di fabbricazione di fibre ottiche polimeriche microstrutturati per fabbricare metamateriali buon mercato potenzialmente su scala industriale. Produciamo fibre polimetilmetacrilato contenente ~ 10 micron di diametro fili di indio separati da circa 100 micron, che presentano una risposta plasmoniche terahertz.

Abstract

I metamateriali sono artificiali materiali compositi, realizzati assemblando componenti molto più piccole della lunghezza d'onda in cui operano ^1. Devono la loro proprietà elettromagnetiche alla struttura dei loro costituenti, invece degli atomi che li compongono. Per esempio, sub-lunghezza d'onda fili metallici possono essere disposti a possedere un permittività elettrico efficace che può essere positiva o negativa a una data frequenza, a differenza dei metalli stessi ^2. Questo controllo senza precedenti sul comportamento della luce può portare a una serie di nuovi dispositivi, come i mantelli dell'invisibilità ^3, materiali di indice di rifrazione negativo ^4, e lenti che risolvere oggetti di sotto del limite di diffrazione ^5. Tuttavia, metamateriali operanti a frequenze ottiche, medio infrarosso e terahertz sono convenzionalmente realizzati con nano-e micro-fabbricazione tecniche che sono costosi e producono campioni che sono al massimo qualche centimetres in dimensioni ^6-7. Qui vi presentiamo un metodo di fabbricazione per la produzione di centinaia di metri di metamateriali in filo metallico in forma di fibre, che presentano una risposta terahertz plasmoniche ^8. Uniamo lo stack-e-disegnare tecnica utilizzata per produrre fibra ottica microstrutturata polimero ⁹ con il processo di Taylor-filo ^10, con fili indio all'interno polimetilmetacrilato (PMMA) tubi. PMMA viene scelto perché è facile da maneggiare, dielettrico drawable con opportune proprietà ottiche della regione terahertz, indio perché ha una temperatura di fusione di 156,6 ° C, che è appropriato per codrawing con PMMA. Abbiamo includono un filo indio di 1 mm di diametro e 99,99% di purezza in un tubo PMMA con 1 mm di diametro interno (ID) e 12 mm di diametro esterno (OD) che viene sigillato ad una estremità. Il tubo evacuato e prelevato un diametro esterno di 1,2 mm. La fibra risultante viene poi tagliato in piccoli pezzi, e impilati in un tubo più grande PMMA. Questa pila è sigillato in unoend e alimentato in un forno mentre viene rapidamente elaborato, riducendo il diametro della struttura di un fattore 10, e aumentando la lunghezza di un fattore di 100. Tali fibre possiedono caratteristiche del micro-e nano-scala, sono intrinsecamente flessibile, di massa-producibile, e può essere tessuto esporre proprietà elettromagnetiche che non si trovano in natura. Essi rappresentano una piattaforma promettente per una serie di nuovi dispositivi da terahertz alle frequenze ottiche, come fibre invisibili, tessute negativi panni di indice di rifrazione, e super-resolving lenti.

Protocollo

Panoramica

Il composito indio / PMMA fibra (Figura 3) è prodotto disegnando una pila di fibre PMMA cui un unico filo di indio (Figura 2), che a loro volta devono essere preparati da PMMA disponibili tubi e fili. I passi presentati sono:

1. Produrre una fibra in PMMA che contiene un unico filo indio di diametro appropriato per impilamento manuale. Per questo, prima preparare un tubo in PMMA che può ospitare un 1 mm filo di indio (sezione 1), quindi includere il indio e disegnare a piacere le dimensioni (sezione 2).
2. Stack e disegnare le singole ottenuti indio-riempiti fibre in PMMA (Sezione 3) alla grandezza desiderata.

Sezioni 4 e 5 specificano i processi di disegno utilizzati nelle sezioni 2 e 3.

1. Realizzazione del tubo guaina PMMA

Il tubo guaina PMMA utilizzato per strutturare il 1 mm filo indio è fatta da stretching e guaine standard di tubi PMMA nel processo di estrazione primaria (sezione 4) per fare un ultimo tubo guaina PMMA di ID 1 mm e diametro esterno 12 mm.

1. Tagliare i tubi PMMA con ID di 6 mm e diametro esterno di 12 mm a 600 mm di lunghezza. Diversi tubi PMMA deve essere preparato per un uso futuro durante il processo di guaina.
2. Ricuocere i tubi PMMA in un forno di ricottura a 90 ° C per un minimo di 5 giorni.
3. Rimuovere un tubo in PMMA da ricottura forno e lasciarla raffreddare a temperatura ambiente.
4. Pulire la superficie del tubo PMMA con salviette isopropanolo e lasciare asciugare.
5. Collegare il tubo di PMMA per estensione superiore (Figura 6) con nastro riflettente (Figura 7).
6. Collegare il tubo di PMMA all'espansore primario fondo draw (Figura 6) con nastro riflettente (Figura 8).
7. Allungare il tubo di PMMA nel processo di disegno principale (vedi capitolo 4). Si noti che nessun vuoto richiesto per questa fase. Il tubo PMMA è allungato daOD 12 mm a 6 mm.
8. Rimuovere il tubo allungato dalla torre pareggio dopo disegno.
9. Tagliare il tubo allungato in 550 mm di lunghezza.
10. Ripetere i punti 1.3 e 1.4.
11. Riscaldare il bordo superiore del tubo allungato, con una pistola ad aria calda finché il materiale si ammorbidisce e crimpare sigillare il foro con una pinza (Figura 9).
12. Inserire il tubo allungato nel tubo nuovo PMMA per creare il tubo PMMA gruppo (Figura 10). Sul lato inferiore del tubo PMMA assembly (cioè il lato che ha il tubo interno aperto allungato), avvolgere politetrafluoroetilene (PTFE) nastro come mostrato nella Figura 10, per sigillare lo spazio tra il tubo e il tubo allungato nuova PMMA.
13. Attaccare estremità superiore del tubo PMMA assembly (cioè il lato che ha il tubo interno allungato sigillato) alla prolunga superiore (Figura 7), con uno strato interno di nastro adesivo, uno strato intermedio di nastro di PTFE, e uno strato esterno di riflettente nastro. Assicurarsi che ilNastro in PTFE è stretto e il divario tra il gruppo del tubo PMMA e l'estensione del piano sono sigillati.
14. Collegare il tubo di PMMA per l'estensione primaria inferiore pareggio come indicato in 1.6.
15. Stretch e manicotto il gruppo del tubo PMMA nel processo di disegno primaria con a vuoto (vedi capitolo 4). Il gruppo del tubo PMMA è allungata dal diametro esterno 12 mm a 6 mm.
16. La risultante allungata tubo guaina PMMA avrà ID / OD di circa 0,25. Ripetere 1,9-1,15 fino alla finale tubo guaina PMMA ha ID / OD di circa 0,1 con un ID di 1 mm (figura 1).

2. Realizzazione della indio riempito fibra

Il 1 mm filo indio è maniche e si estendeva nel tubo guaina PMMA fatte per il punto 1 utilizzando il processo secondario pareggio (sezione 5) per la produzione di fibre di indio riempito con un finale di diametro esterno 1,2 mm.

1. Preparare e ricottura tubi guaine PMMA, come indicato al punto 1.1 - 1.4.
2. Tagliare il filo di indio a 550 mm di lunghezza.
3. Inserire il filo indio nel tubo guaina PMMA per creare l'indio riempito preforma assembly come mostrato in Figura 11.
4. Sigillare il lato inferiore del tubo jacketing PMMA come mostrato in 1,11.
5. Fissare indio riempito preforma assembly l'estensione superiore come indicato in 1.13 e il secondario estensione inferiore pareggio come indicato in 1.14.
6. Stretch e manicotto l'indio riempito gruppo preforma nel processo di disegno secondaria con vuoto per fare in fibra di indio pieno (vedi capitolo 5) di una finale OD 1 millimetro disegnato in tensione 15-20 g.
7. Rimuovere la bobina di fibra indio riempito dalla torre dopo il processo di estrazione è terminata.
8. Controllare la zona di contatto e lungo la lunghezza longitudinale della fibra indio riempito con un microscopio ottico. Difetti problematici può comprendere la separazione tra il filo di indio e di interfaccia tubo PMMA, le fluttuazioni del diametro del filo o crepe frattura lungo la lunghezza della fibra. Immagini al microscopio ottico del gruppo INDfibre ium riempito sono presentati nella figura 2, che mostra un filo continuo 100 micron in un indio mm 1 OD fibra PMMA.
9. Ripetere 2,1-2,8 fino abbastanza fibra indio pieno è prodotta per il impilati indio preforma.

3. Realizzazione della indio Stacked Fiber

La fibra indio impilato è fabbricata prima sovrapposizione delle fibre indio compilato prodotte in Secton 2 in più un tubo di PMMA guaine preforma, che viene poi allungato e maniche per le dimensioni delle fibre desiderati con il processo secondario pareggio (sezione 5).

1. Preparare la guaina PMMA preforma del tubo come indicato in 1.1. A scopo dimostrativo, useremo un tubo di PMMA di 12 mm OD e 9 mm ID.
2. Tagliare il indio riempito fibre a 550 mm di lunghezza.
3. Pulire la superficie del tubo PMMA incamiciatura preforme e l'indio riempito fibra con salviette isopropanolo e lasciare asciugare.
4. Bundle la fibra indio riempito con elastici e inserirenel tubo PMMA jacketing preforma, garantendo le fibre sono diritti e sono di un adattamento stretto (Figura 12).
5. Ricuocere il gruppo stacked preforma nel forno di ricottura a 90 ° C per un minimo di 5 giorni.
6. Rimuovere il stacked preforma assembly dal forno di ricottura e lasciarla raffreddare fino a temperatura ambiente.
7. Fissare indio riempito preforma assembly l'estensione superiore come indicato in 1.13 e il secondario estensione inferiore pareggio come indicato in 1.14.
8. Stretch e manicotto il gruppo stacked preforma nel processo di disegno secondaria con vuoto a rendere indio stacked fibra (vedi capitolo 5). Questo è forzato ad una finale OD 0,6 millimetri prelevati sotto tensione 80 g, producendo una fibra metamateriale contenente 5 mm fili separati da 50 pm. Un microscopio ottico in sezione trasversale immagine della fibra risultante è mostrato in Figura 3.
9. Rimuovere la bobina di fibra indio impilati dalla torre dopo il processo di estrazione è terminata.
10. InSPECT e la zona di contatto lungo la lunghezza longitudinale della fibra indio stacked come mostrato in 2.8 (Figura 3).

4. Pareggio processo primario

Il processo di estrazione primaria viene utilizzato per allungare preforme per diametri esterni maggiori di 1 mm. La procedura seguente viene utilizzato nella Sezione 1: Realizzazione del tubo guaina PMMA.

1. Caricare la preforma sulla torre pareggio fissando l'estensione superiore al mandrino tre griffe. Alimentare la preforma nella zona calda del forno (Figura 13). Allineare la preforma con la fase micrometro XY. Chiudere la piastra superiore del forno.
2. La fase di pre-riscaldamento eleva la temperatura della sezione trasversale della preforma alla temperatura disegno, utilizzando il profilo di temperatura mostrato nella Figura 14.
3. Avviare il processo di disegno aumentando la temperatura a 185 ° C, iniziando l'avanzamento a 5 mm / min, disegnare tasso a 6 mm / min e chiusura tegli disegnare morsetti unità. Esaminare il comportamento di tensione pareggio nel corso del tempo (Figura 15).
   • Se la tensione aumenta in modo esponenziale, fermare le unità di alimentazione e pareggio, attendere 1 minuto per consentire la preforma al calore fino a disegnare la temperatura, prima di iniziare l'alimentazione e disegnare di nuovo unità. Ripetere il test fino a quando la tensione si stabilizza.
   • Se la tensione cade, aumentare il tasso di estrazione da 1-2 mm / min. Continuare ad aumentare la velocità di estrazione in 1-2 mm / min (incrementi finché la tensione rimane costante o inizia a cadere), finché il tasso sorteggio richiesta sia raggiunta.
4. Se il vuoto viene richiesto, collegare il tubo vuoto alla sottovuoto top extender preforma con Blu-Tac (Figura 13). Accendere il vuoto dopo il feed e le unità tiraggio hanno iniziato a garantire la preforma è il disegno simmetrico.
5. Utilizzare la condizione primaria di disegno nella tabella 1 come guida durante il disegno della preforma. Nota: la temperatura del forno e il rapporto bra l'alimentazione e disegnare tasso devono essere monitorati per mantenere costante la tensione OD e disegno. Si noti che un diametro esterno indicativo per la fibra disegnata può essere ottenuto da una equazione di bilancio di massa,
   D _finale = D _iniziale (F / D) ^1/2
   dove D _finale - è il diametro della fibra finale, D è il diametro _{di partenza} iniziale preforma, F è la velocità di avanzamento, e D è il tasso tiraggio. Interrompere l'alimentazione e il tasso di disegno e interruttore del forno quando la preforma è finito. Rimuovere la preforma dalla torre sorteggio volta la preforma si raffredda a temperatura ambiente.

5. Pareggio processo secondario

Il processo di stiramento secondario viene utilizzato per allungare preforme inferiore a 1 mm ODS. La procedura seguente viene utilizzato nella sezione 2: Realizzazione del indio riempito fibra e 3: Realizzazione della fibra indio accatastati.

1. Caricamento della preforma per la sdraw econdary è uguale al processo sorteggio primario (Passaggio 4.1).
2. Il pre-riscaldamento per la fase di stiramento secondario è uguale al processo di estrazione primaria (Passo 4.2).
3. La preforma comincia a collo-down quando la temperatura viene raggiunta disegno. La discesa delle uscite preforme fondo del forno dovuto al peso del extender inferiore fornendo la forza di disegno iniziale (Figura 16).
4. Avviare l'avanzamento (2,5 - 5 mm / min) ed iniziare ad aumentare la temperatura del forno (2,5 - 5 ° C) per controllare la velocità di discesa. Il diametro delle fibre deve essere mantenuta intorno 250-500 micron per impedire l'aggancio delle fibre.
5. Fissare la fibra alla ruota capstan che ruota ad una velocità lenta di sotto 1 m / min inizialmente. Avvolgere la fibra intorno alle ruote ballerino e allegare alla bobina fibra.
6. Se il vuoto è necessario fissare il tubo di aspirazione come mostrato in 4.4.
7. Il sorteggio fibra sarà inizialmente in condizioni di tiraggio transitori. Set la velocità di avanzamento, velocità di disegnare la temperatura del forno e con i valori desiderati pareggio condizione. Diametro delle fibre e la tensione sorteggio fluttuerà fino allo stato stazionario viene raggiunto dopo pochi minuti.
8. Utilizzare la condizione secondaria disegno in tabella 2 come guida durante il disegno della preforma. Nota la temperatura del forno e il rapporto tra la velocità di avanzamento e di estrazione devono essere monitorati per mantenere costante la tensione OD e disegno.
9. Arrestare il processo come mostrato in 4,5.

Risultati

Metamateriale fibre sono state prodotte con la tecnica descritta. Essi stato assemblato da una preforma di 1 millimetro fibre PMMA contenenti 100 mM indio fili continui di diametro, mostrati in figura 2, che a sua volta si erano stato ricavato da una preforma di 1 millimetro indio fili contenuti all'interno di una camicia 10 mm polimero, che è stato prodotto dalla guaina di materiale polimerico opportunamente dimensionati, come illustrato nello schema di figura 1. Una immagine al micros...

Discussione

La tecnica qui presentata consente la fabbricazione di chilometri di continue tridimensionali metamateriali con dimensioni caratteristiche microscala, possedendo una risposta plasmonica (e quindi una misura permittività elettrica) nel range THz, efficace comportandosi come un filtro passa-alto. Questo può essere sperimentalmente caratterizzato terahertz usando spettroscopia di dominio ^tempo-11. Tali fibre a forma di metamateriali può essere tagliato e impilato in materiali sfusi di realizzare un gran numero d...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Nome del reagente / materiale	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Indio Wire 99,99%, 1 mm di diametro	AIM sistemazioni	Disponibile su richiesta	www.aimspecialty.com http://www.aimspecialty.com/Portals/0/Files/Indium.pdf
2-propanolo (isopropanolo)	Sigma-Aldrich	Numero del prodotto 190764	http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/products.html?TablePage=17292086
Nastro adesivo	Staples
Un Wrap nastro PTFE, 5 ml x 12 x 0,2 MMW MMT	RS Components	Codice RS 231-964	http://uk.rs-online.com/web/p/ptfe-tapes/0231964/
50 micron Aluminium Foil Tape	Anticipo Nastri adesivi	AT506	http://www.advancetapes.com/Products/types/9/page1/81
Blu-tak	Bostik		http://www.blutack.com/index.html
Araldite Quick Set	Selleys		http://selleys.com.au/adhesives/household-adhesive/araldite/quick-set
PMMA tubi: - ID 6 mm, OD 12 millimetri - ID 9 mm, diametro esterno 12 millimetri	B & M materie plastiche: Fabbricazione di plastica	Disponibile su richiesta	http://www.bmplastics.com.au/about-us.htm
			Attrezzature Requisiti
			Fibre torre pareggio con forni di temperature massime di almeno 200 ° C (Heathway Polymer Disegna Torre con preforme e servizi pareggio Fibre). Una fotografia della torre di trazione è mostrata in Figura 5. Forno di ricottura di temperature massime di almeno 90 ° C. Microscopio ottico. Pistola ad aria calda. Pompa a vuoto. Top preforme extender (tubo metallico di 30 cm di lunghezza e 12 mm di diametro). Pareggio primariofondo extender (tubo metallico di 100 cm di lunghezza e 12 mm di diametro). Secondaria inferiore extender draw (PMMA tubo di 20 cm di lunghezza e 12 mm di diametro).