ファイバー描画法を用いたメタマテリアルの作製

この手順は、潜在的に工業的な規模でメタマテリアルを安価に製造することを目的としています。まず、プライマリドローでPMMAジャケットチューブを製作します。次に、穴にインジウムを含め、一次引き抜きプロセスを使用してインジウム充填繊維を引き抜きます。

積み重ねられたインディオ、充填されたプリフォーム、膝を摂氏90度のオーブンで組み立てます。二次延伸プロセスを進めて、充填された積層インジウムを繊維に引き抜きます。得られたメタマテリアルには、50ミクロンで区切られた5ミクロンのワイヤが含まれており、工業規模で安価に製造でき、テラヘルツ周波数範囲でプラズモン応答を示します。

リソグラフィー、ナノ、微細加工技術など、メタマテリアルを製造するための他の方法は高価であり、最も数センチメートルのサイズのサンプルを生成することができます。私たちの技術の主な利点は、数百メートルのメタマテリアルを繊維の形で製造できることです。これにより、メタマテリアルを製造できるかどうか、技術的および実用的に関連性のある量を作成できるかどうかなど、この分野の重要な問題に対処することができます。

ここで示している特定の方法は、te ヘルツでプラズモン応答を持つメタマテリアルを生成します。このプロセスは、原則として、可視スペクトルでの応答を持つメタマテリアルを生成するナノスケールに縮小することができます。この方法のインスピレーションは、電気光学変調器を作るために内部電極でファイバーを描画する以前の研究でした。

私たちは最近、この技術が大幅に拡張され、メタマテリアルの作成に使用できることに気づきました。積み重ねられたインドの充填繊維のプリフォームを描画してメタマテリアルを作製することは困難です。この視覚的なデモンストレーションにより、さまざまな要素がどのように見えるか、そしてこれらの複雑な構造をミクロンスケールに引き下げるために必要な条件が示されることを願っています。

このプロセスを実証するのは、エンジニアのRichard Luinと、私たちの研究グループの博士課程の学生であるAlessandro Tです。メタマテリアルのこの製造方法には、2段階の描画が含まれ、各段階では小型化が行われます。プリフォームと呼ばれる巨視的な物体で、炉内でフィラメントに引き込むことによるもの。

一次引き抜きプロセスは、プリフォームを外径が1ミリメートルを超えるまで伸ばしたりスリーブしたりするために使用されます。ガイドとして、添付のテキストの表1にある主要な描画条件を使用して、プリフォームをドロータワーにロードします。トップエクステンダーを3ジョーチャックに固定し、プリフォームを炉のホットゾーンに供給し、XYマイクロメータステージを使用して位置合わせします。

次に、炉の天板を閉じます。温度を摂氏185度に上げます。毎分5ミリメートルで送り速度を開始します。

毎分6ミリメートルでドローレートし、ドローユニットクランプを閉じます。ドローテンションの経時的な挙動を監視します。スリーブを付ける場合は、真空が必要です。

真空チューブを真空シールされたトッププリフォームエクステンダーに青い鋲で取り付けます。フィードユニットとドローユニットを始動し、真空を適用して炉の温度とフィードとドローレートの比率を監視し、一定の外径とドローテンションを維持します。まぁ。1ミリメートルのインジウムワイヤーを構造化するために使用されるポリメチルメタクリレートジャケットチューブは、ストレッチとスリーブによって製造されます。

直径1ミリメートル、外径12ミリメートルの最終的なPMMAジャケットチューブを製造するための一次ドロープロセスにおける標準PMMAチューブ。まず、内径6mm、外径12mmのPMMAチューブを長さ600mmで切断します。睡眠プロセス中に将来使用するために、いくつかのPMMAチューブを準備します。

PMMAチューブを摂氏90度のアニーリングオーブンに最低5日間置きます。アニルチューブが室温に冷えたら、PMMAチューブの表面をイソプロパノールワイプで洗浄し、乾燥させます。次に、反射テープを使用してPMMAチューブを上部エクステンダーに取り付けます。

また、PMMAチューブをプライマリドローボトムエクステンダーに取り付けます。次に、前に示した一次描画プロセスで、PMMAチューブの外径12ミリメートルから6ミリメートルに描画します。得られたチューブの片側をホットエアガンで熱圧着し、新しいPMMAチューブに挿入します。

PMMAチューブアセンブリを作成するには、ストレッチチューブと新しいPMMAチューブアセンブリとの間の底部の隙間をシールします。PTFEテープを使用して、粘着テープの内側の層、PTFEテープの中間層、および反射テープの外部層を使用して、PMMAチューブアセンブリの上端をトップエクステンダーに取り付けます。PTFEテープがしっかりと締まっており、PMMA 2つのアセンブリと上部エクステンダーの間のすべての隙間が密閉され、ストレッチとスリーブされていることを確認します。

得られたPMMAチューブアセンブリは、前に示したように真空下での一次ドロープロセスで、外径12ミリメートルから6ミリメートルまで、内径と外径の比率が約0.25になります。最終的なPMMAジャケットチューブの内径と外径の比率が約0.1、内径が1ミリメートルになるまで、このプロセスを繰り返します。二次延伸プロセスは、プリフォームを外径1mm未満に伸ばすために使用されます。

延伸温度に達すると、プリフォームは底部エクステンダーの重量により炉から離れ始めます。初期引き抜き力を提供すると、毎分2.5〜5ミリメートルで供給速度を開始し、炉の温度を摂氏170度に上げることによって開始します。次に、温度を摂氏2.5〜5度ゆっくりと上げ、摂氏220度まで

ドロップダウンの速度を制御するには、ファイバーの直径を約 250 から 500 ミクロンに保ちます。ファイバーのスナップを防ぐために、1分間に1メートル未満の低速で回転しているキャプスタンホイールにファイバーを取り付けます。ダンサーホイールにファイバーを巻き付け、ファイバースプールに取り付けます。

添付の原稿の二次延伸条件をガイドとして使用して、定常状態の延伸条件と最終的な繊維寸法を取得します 外径と延伸張力を一定に保つには、炉の温度と供給速度と延伸速度の比率を監視します。1ミリメートルのインジウム ワイヤーは、直径 1 ミリメートルのインディオ充填繊維を生成するために、二次ドロー プロセスで PMMA ジャケット チューブにスリーブされ、引き伸ばされ、直径 1 ミリメートルのインディウム充填繊維を生成するために、インジウム ワイヤーを 550 ミリメートルの長さに切断し、PMMA ジャケット チューブに挿入してインジウム充填プリフォーム アセンブリを作成し、ストレッチし、充填されたプリフォーム アセンブリを真空で二次描画プロセスでスリーブ化して、インディオ充填繊維を作ります。最終的な外径。15〜20グラムの張力で1ミリメートルが引かれます。

ドロープロセスが完了したら、インジウム充填ファイバーのスプールをタワーから取り外し、光学顕微鏡下でインディオ充填ファイバーの端面と縦方向の長さに沿って検査します。問題となる欠陥には、インジウム ワイヤと PMA チューブ界面との間の分離、広径の変動、またはファイバー長バンドルに沿った亀裂、輪ゴムを使用した多くのインジウム充填ファイバー、PMMA 予備成形ジャケット チューブへの挿入、ファイバーがまっすぐで、しっかりとフィットし、伸び、スリーブであることが含まれます。最終的な外径0.6ミリメートルのインジウムを積み重ねた繊維を作るために真空と二次延伸プロセスで積み重ねられたプリフォームアセンブリは、80グラムの張力の下で引き出されます。

所望の製品は、50ミクロンで区切られた5ミクロンのワイヤを含むメタマテリアル繊維である。このマルチスリーブジャケットの断面図は、3つの連続したジャケットPMMAチューブにスリーブされた1本のインディオワイヤーを示しています。1ミリメートルPMMAファイバーのプリフォームには、直径100ミクロンの連続インジウムワイヤーが含まれています。

この顕微鏡画像は、テラヘルツ範囲でプラズモン応答を持つメタマテリアルファイバーの断面の一例です。プラズモン応答は、低周波数では材料が金属のように振る舞い、高周波では誘電体のように振る舞うように現れ、プラズマ周波数がここでの2つの振る舞いの間の境界を定義します。実験的測定により、この繊維タイプは3つの異なる次元に引き寄せられます。

どちらの場合も、プラズマの周波数が直径に依存していることは明らかです。このビデオを見れば、メタマテリアル構造を安価に、そして潜在的に工業規模で製造する方法を十分に理解できるはずです。インディアンが繊維の長さに沿って壊れるのを防ぐために、インディアンのフィールドファイバーを高圧下で引き込むことを忘れないでください。

これは、低温を維持することによって達成され、その結果、ポリマーの粘度が高くなり、液体金属を含む構造が維持されます。