Opdigte Metamaterialer Brug af Fiber Tegning Method

Summary

Metamaterialer på terahertz frekvenser giver unikke muligheder, men er udfordrende at fabrikere i løs vægt. Vi tilpasser fremstillingen procedure for mikrostrukturerede optiske fibre af polymermateriale til billigt fremstille metamaterialer potentielt i industriel målestok. Vi producerer polymethylmethacrylat fibre indeholdende ~ 10 um diameter indium tråde adskilt af ~ 100 um, som udviser en terahertz plasmoniske respons.

Abstract

Metamaterialer er menneskeskabte kompositmaterialer, fremstillet ved at samle komponenter er meget mindre end den bølgelængde, ved hvilken de opererer ^1. De skylder deres elektromagnetiske egenskaber af strukturen i deres vælgere, i stedet for de atomer, der udgør dem. For eksempel kan sub-bølgelængde metaltråde være indrettet til at have en effektiv elektrisk permittivitet, som enten er positiv eller negativ ved en given frekvens, i modsætning til metaller selv ^2. Denne hidtil uset kontrol over den opførsel af lys kan potentielt føre til en række nye enheder, såsom usynlighed kapper ^3, negative brydningsindeks materialer ^4, og linser, der løser objekter under diffraktionsgrænsen ^5. Men metamaterialer, der opererer på optiske, mid-infrarøde og terahertz frekvenser konventionelt fremstillet ved hjælp af nano-og mikro-fremstillingsteknikker, der er dyre og producere prøver, der er i de fleste et par centimetres i størrelse ^6-7. Her præsenterer vi en fabrikation metode til at producere flere hundrede meter af metaltråd metamaterialer i fiber form, som udviser en terahertz plasmoniske svar ^8. Vi kombinerer den stabel-og-trække teknik, der anvendes til fremstilling af mikrostrukturerede polymer optisk fiber ⁹ med Taylor-wire fremgangsmåde ^10, ved hjælp af indium ledninger inde i polymethylmethacrylat (PMMA) rør. PMMA er valgt, fordi det er let at håndtere, trækbare dielektrisk med egnede optiske egenskaber i terahertz regionen indium, fordi det har en smeltetemperatur på 156,6 ° C, hvilket er egnet til codrawing med PMMA. Vi omfatter en indium tråd på 1 mm i diameter og 99,99% renhed i en PMMA rør med 1 mm indre diameter (ID) og 12 mm udvendig diameter (OD), som er forseglet ved den ene ende. Røret evakueres og trækkes ned til en ydre diameter på 1,2 mm. Den resulterende fiber skæres derefter i mindre stykker, og stables i en større PMMA rør. Denne stak er forseglet ved den eneende og føres ind i en ovn, mens den hurtigt trækkes, reduktion af diameteren på strukturen med en faktor 10, og forøgelse af længden med en faktor 100. Sådanne fibre har træk på det mikro-og nanoteknologi, er i sagens natur fleksible, masse-producerbart og kan væves at udvise elektromagnetiske egenskaber, der ikke findes i naturen. De repræsenterer en lovende platform for en række nye enheder fra terahertz til optiske frekvenser, såsom usynlige fibre, vævet negative brydningsindeks klude og super-løse linser.

Protocol

Oversigt

Den sammensatte indium / PMMA fiber (fig. 3) fremstilles ved at trække en stabel af PMMA fiber, herunder en enkelt indium wire (fig. 2), som selv skal fremstilles ud fra tilgængelige PMMA-rør og ledninger. De præsenterede trin er:

1. Fremstil en PMMA fiber, der indeholder en enkelt indium tråd af diameter passende til manuel stabling. Til dette, forberede først en PMMA rør, der kan rumme en 1 mm indium tråd (afsnit 1), derefter omfatte indium og trække til den ønskede størrelse (afsnit 2).
2. Stak og tegne de opnåede individuelle indium-fyldt PMMA fiber (§ 3) til den ønskede størrelse.

Afsnit 4 og 5 detalje på tegningen, der anvendes i afsnit 2 og 3.

1. Fremstilling af PMMA kappe Tube

Den PMMA jacketing rør anvendt til at strukturere 1 mm indium tråd er lavet af stretching og Sleeving Standard PMMA rør i den primære draw-processen (afsnit 4) at foretage en endelig PMMA jacketing tube ID 1 mm og OD 12 mm.

1. Skær PMMA-rør med ID på 6 mm og OD på 12 mm til 600 mm længde. Adskillige PMMA rør bør være forberedt til fremtidig brug i den muffe proces.
2. Anneal de PMMA rør i en annealing ovn ved 90 ° C i mindst 5 dage.
3. Fjern en PMMA rør fra annealing ovnen og lad det køle af til stuetemperatur.
4. Rengør overfladen af ​​PMMA rør med isopropanol Gazeviskere og lad det tørre.
5. Fastgør PMMA røret til toppen extender (figur 6) under anvendelse af reflekterende bånd (fig. 7).
6. Fastgør PMMA røret til primær draw bunden extender (figur 6) under anvendelse af reflekterende tape (figur 8).
7. Stræk PMMA rør i den primære tegning processen (se afsnit 4). Bemærk at intet vakuum er nødvendig for dette trin. The PMMA røret strækkes fraOD 12 mm til 6 mm.
8. Tag den strakte rør fra lodtrækningen tårn efter tegning.
9. Skær strakte rør i 550 mm længder.
10. Gentag trin 1.3 og 1.4.
11. Opvarme den øverste side af det strakte rør med en varmluftpistol indtil materialet blødgøres og krympe forsegle hullet med en tang (figur 9).
12. Sæt det strakte rør ind i det nye PMMA røret for at skabe den PMMA slangesamlingen (figur 10). På undersiden af PMMA slangesamlingen (dvs. den side, der har den indvendige strakte rør åben), wrap polytetrafluorethylen (PTFE) bånd, som vist i figur 10, for at tætne mellemrummet mellem det strakte rør, og den nye PMMA røret.
13. Fastgøre øverste ende af PMMA slangesamlingen (dvs. den side, der har den indvendige strakte rør forseglet) til den øverste extender (fig. 7), ved hjælp af et indre lag af klæbende tape, et midterlag af PTFE tape, og et ydre lag af reflekterende tape. Sørg for,PTFE tape er stram, og alle mellemrum mellem PMMA slangesamlingen og den øverste extender er forseglet.
14. Fastgør PMMA røret til den primære draw bunden extender som vist i 1.6.
15. Stretch og ærme den PMMA slangesamlingen i den primære tegning proces med vakuum (se afsnit 4). The PMMA slangesamlingen strakte sig fra OD 12 mm til 6 mm.
16. Den resulterende strakte PMMA jacketing rør har ID / OD på ca 0,25. Gentag 1,9-1,15 indtil den endelige PMMA kappe rør har ID / OD på cirka 0,1 med en ID på 1 mm (figur 1).

2. Fremstilling af indium Filled Fiber

Den 1 mm indium tråd er sleeved og strakt i PMMA jacketing rør fremstillet i afsnit 1 via det sekundære draw processen (afsnit 5) for at producere indium fyldt fiber med en endelig OD 1,2 mm.

1. Forbered og annealing PMMA jacketing rør, som vist i 1,1 til 1,4.
2. Skær indium ledning til 550 mm længde.
3. Indsæt indium tråd ind i PMMA kappe røret for at skabe den indium fyldte præform, som vist i figur 11..
4. Tætne bunden af ​​PMMA kappe rør som vist i 1.11.
5. Vedhæft indium fyldt præform samling til toppen extender, som vist i 1,13 og den sekundære draw bunden extender, som vist i 1,14.
6. Stretch og ærme den indium fyldt præform forsamling i den sekundære tegning proces med vakuum for at gøre indium fyldt fiber (se afsnit 5) af en endelig OD 1 mm udtaget under 15-20 g spænding.
7. Fjern spolen af ​​indium fyldt fiber fra tårnet efter lodtrækningen er afsluttet.
8. Inspicere endface og langs den langsgående længde af indium fyldte fiber ved hjælp af et lysmikroskop. Problematiske defekter kan omfatte adskillelse mellem indium tråd og PMMA rør interface, udsving i tråddiameteren eller fraktur revner langs længden af ​​fiberen. Optiske mikroskop billeder for INDium fyldt fiber er vist i figur 2, som viser en kontinuerlig 100 um indium tråd i en 1 mm OD PMMA fiber.
9. Gentag fra 2,1 til 2,8 indtil nok indium fyldt fiberen er produceret for indium stablet præform.

3. Fremstilling af indium Stacked Fiber

Den indium stablet fiber fremstilles ved først at stable indium fyldte fibre, som fremstilles secton 2 i et større PMMA præform jacketing rør, som derpå strækkes og sleeved til de ønskede fiber dimensioner ved hjælp af den sekundære draw processen (afsnit 5).

1. Forbered PMMA præform kappe rør som vist i 1.1. Til demonstration formål, vil vi bruge et PMMA rør på 12 mm OD og 9 mm ID.
2. Skær indium fyldte fibre til 550 mm længde.
3. Rense overfladen af ​​PMMA præformens kappe røret og indium fyldt fiber med isopropanol klude og lad det tørre.
4. Bundle den indium fyldt fiber ved hjælp af elastikker og sætind i PMMA præform kappe rør, er at sikre fibrene lige og har en tæt pasning (figur 12).
5. Anneale de stablede præforme samlingen i annealing ovn ved 90 ° C i mindst 5 dage.
6. Fjern de stablede præforme samlingen fra annealing ovnen og lad den afkøle til stuetemperatur.
7. Vedhæft indium fyldt præform samling til toppen extender, som vist i 1,13 og den sekundære draw bunden extender, som vist i 1,14.
8. Stretch og ærme den stablede præforme forsamling i den sekundære tegning proces med vakuum for at gøre indium stablet fiber (se afsnit 5). Dette er strakt til en endelig OD 0,6 mm udtaget under 80 g spænding, hvilket frembringer en metamaterial fiber indeholdende 5 mM tråde adskilt af 50 um. Et optisk mikroskop tværgående billede af den resulterende fiber er vist i figur 3..
9. Fjern spolen af ​​indium stablet fiber fra tårnet efter lodtrækningen er afsluttet.
10. ISPECT den endface og langs den langsgående længde af indium stablet fiber som vist i 2,8 (figur 3).

4. Primær Draw Process

Den primære draw proces bruges til at strække præforme til ydre diametre større end 1 mm. Den følgende fremgangsmåde anvendes i Afsnit 1: Bearbejdning af PMMA jacketing Tube.

1. Indlæs præformen på lodtrækningen tårn ved at spænde den øverste extender til de tre kæber. Feed præformen ind i den varme zone i ovnen (figur 13). Bringe præformen ved hjælp af XY mikrometer fase. Luk topplade af ovnen.
2. Forvarmelaget trin hæver temperaturen af tværsnitsarealet af præformen til tegningen temperatur under anvendelse af temperaturprofilen i figur 14 viste.
3. Indlede trækningsproces ved at forøge temperaturen til 185 ° C, startes tilspænding ved 5 mm / min, trækker hastighed på 6 mm / min og afsluttes than trække enhed klemmer. Undersøge opførslen af draw spændinger over tid (fig. 15).
   • Hvis spændingen stiger eksponentielt, stoppe foder-og draw-enheder, vent 1 minut for at tillade præformen at varme op til tegning temperatur, før du starter foder og tegne enheder igen. Gentag testen indtil spændingen stabiliseres.
   • Hvis spændingen falder, øges trækhastighed ved 1-2 mm / min. Fortsat at øge lodtrækningen sats i 1-2 mm / min ad gangen (så længe spændingen enten forbliver konstant eller begynder at falde), indtil den ønskede trækhastighed er opnået.
4. Hvis vakuum er påkrævet, fastgøre vakuumrøret til vakuumforseglet øverste præform extender hjælp Blu-Tac (figur 13). Tænd vakuum efter foderet og tegn enheder er begyndt at sikre præformen tegning symmetrisk.
5. Brug det primære tegning tilstand i tabel 1 som en vejledning ved udarbejdelsen præformen. Bemærk ovntemperaturen og forholdet between foderet og trække hastighed skal overvåges for at opretholde konstant OD og tegningen spænding. Bemærk, at en vejledende ydre diameter for den trukne fiber kan opnås fra en massebalance ligning,
   D _endelig = D _start (F / D) ^1/2
   hvor D _endelig - den endelige fiberdiameter, D _start er den første præform diameter, F er fødehastigheden, og D er trækhastighed. Stop fodring og tegning hastighed og skifte af ovnen, når præformen er færdig. Fjerne præformen fra draw tower når præformen afkøles til stuetemperatur.

5. Sekundær Draw Process

Den sekundære draw proces bruges til at strække præforme til OD'erne mindre end 1 mm. Den følgende fremgangsmåde anvendes i Afsnit 2: Bearbejdning af indium fyldt fiber og 3: Bearbejdning af indium stablet fiber.

1. Ilægning præformen for secondary draw er den samme som i den primære draw processen (trin 4.1).
2. Forud for opvarmningstrinnet til den sekundære draw er den samme som i den primære draw processen (trin 4.2).
3. Præformen begynder at halsen nedad, når tegningen temperatur er nået. Drop-down af præformen forlader bunden af ovnen på grund af vægten af den nederste extender giver den oprindelige tegning kraft (figur 16).
4. Start tilspænding (2,5-5 mm / min) og begynde at øge ovntemperaturen (2,5-5 ° C) for at styre hastigheden af ​​drop-down. Fiberdiameteren bør opretholdes omkring 250 til 500 um for at forhindre fiberen snapping.
5. Fastgøre fiberen til kapstanen hjul, der roterer ved en langsom hastighed på under 1 m / min oprindeligt. Vikl fiber omkring danseren hjul og tillægger fiberspole.
6. Hvis vakuum er påkrævet fastgøre vakuumrøret, som vist i 4.4.
7. Den fiber draw vil i første omgang være under transiente draw betingelser. Set fødehastigheden, trækker hastighed og ovntemperaturen til de ønskede tegne tilstand værdier. Fiberdiameter og draw spændingen vil svinge, indtil steady state opnås efter nogle få minutter.
8. Brug den sekundære tegning tilstand i tabel 2 som en vejledning ved udarbejdelsen præformen. Bemærk ovntemperaturen, og forholdet mellem foder og trækhastighed skal overvåges for at opretholde konstant OD og trække spændingen.
9. Standse processen som vist i 4.5.

Representative Results

Metamaterial fibre blev fremstillet ved hjælp af den beskrevne teknik. De blev samlet fra en præform af 1 mm PMMA fiber indeholdende 100 um diameter kontinuerlige indium ledninger, der er vist i figur 2, som igen var selv blevet trukket fra en præform af 1 mm indium tråde indeholdt i en 10 mm polymer kappe, som er fremstillet ved sleeving passende størrelse polymer rør, som vist i diagrammet i figur 1.. Et mikroskop billede af tværsnittet af et eksempel på en metamaterial fiber med plasmoniske respons i THz-serien er vist i figur 3..

Den plasmoniske reaktion viser sig således, at ved lave frekvenser materialet opfører sig som et metal (lav transmission) og ved høje frekvenser som et dielektrikum (høj transmission), med plasma frekvens definerer grænsen mellem de to funktionsmåder. I dette specifikke tilfælde er plasma frekvens forventet 1,2THz, men vores teknik tillader dette at være let ændres ved at variere trækhastighed, som igen ændrer radius og adskillelse af ledningerne, som vist i ref. ^8. Den resulterende højpas filtrering adfærd metamaterial fiber, for indfaldende THz bølger med deres elektriske felter rettet langs ledningerne, kan måles via terahertz tidsdomænet spektroskopi ^11.

Figur 4.ia viser eksperimentelle målinger af denne fibertype henledes på tre forskellige dimensioner. Dette stemmer meget godt overens med teorien vist i fig 4.ib I begge tilfælde plasma frekvens afhængighed af diameteren fremgår. Analyse af den særlige fiber vist i figur 3 giver den plasmoniske respons er vist i fig 4.ii hvor plasmaet frekvens er ved 0,6 THz.

Fig. 1. Multiple sleeved jacket tværsnit skematisk med enkelt indium wire. 1 er den indium wire, 2 er 1 ^st jacketing PMMA rør, 3 er de 2 ^nd, og 4 er de 3 ^rd.

Figur 2. Ovenfra og fra siden af 1 mm PMMA fiber med en enkelt 100 um indium wire.

Figur 3. (Komposit) optisk mikroskop tværsnit billede af de 5 um indium tråde adskilt af 50 um i en PMMA fiber. (40x objektiv).

Figur 4. (I) Skematisk af forsøgsopstillingen til måling metamaterial fiber transmittans. (Ii) (a) Eksperimentel og (b) simuleret (finite element method) transmittans for arrays af metamaterial fibre med forskellige diametre (elektrisk felt parallelt med trådene), som præsenteret i ref. ^8, der viser god overensstemmelse. Et scanningselektronmikroskop billede af 590 um fiber er vist i indsættelsen i (a). Et billede af den simulerede geometri er vist i indsættelsen i (b). Den mindste fiber havde ~ 8 um diameter tråde adskilt ved ~ 100 um. Det skraverede område viser, hvor mediet ikke kan betragtes som homogen. Den plasmoniske overgang region skifter til lavere frekvenser, som vi øger fiberdiameteren (opnået blot ved at ændre lodtrækningen hastighed), hvilket resulterer i en forskydning af den høje-pass filtrering adfærd. Efter ref. ^8. (Iii) Simuleret transmittans for et array af metamaterial fiber vist i figur 3, ved hjælp afsamme metoder og optiske parametre præsenteres i ref. ^8. Bemærk, at i dette tilfælde fiberen ville udvise et plasma frekvens omkring 0,6 THz. Klik her for at se større figur .

Figur 5. Øverste del af fiberen draw tower på sekundærsiden. Bemærk især patronen foder (øverst) og ovnen (midten), forbundet med styreenheden (højre).

Figur 6. (Venstre mod højre) Nederst extender, præforme og top extender.

Figur 7. Vedhæft ING top extender - med PTFE (til venstre) og refleksbånd (til højre).

Figur 8 Fastgørelse bottom extender -. Reflekterende tape.

Figur 9. Varmluftpistol krusning.

Figur 10. Indsættelse rør i jakke (til venstre) og med PTFE pakning (til højre).

Fig. 11. Indsættelse indium ledning i PMMA rør.

ad/4299/4299fig12.jpg "/>
Figur 12. Indsættelse indium wire stablet bundt ind i PMMA rør.

Figur 13 top til bund:. Fastgørelse vakuumrør til præformen, fastspænding præform i 3 kæber foderenheden, og indføring i ovnen.

Fig. 14. Forvarmning profil.

Fig. 15. Primær spænding profil.

Figur 16. + Drop-down præform sektion.

Præform OD (mm)	Tilspænding (mm / min)	Trækhastighed (mm / min)	Furnace Temperatur (° C)
12	2,5-5	25-50	185-200
12	5-10	15-25	185-200
12	10-15	10-20	185-200

Tabel 1. Primære draw betingelser.

12

Præform OD (mm)	Tilspænding (mm / min)	Furnace Temperatur (° C)	Tegn Tension (g)
12	10	220-240	70-80
12	7,5-10	210-230	70-80
5-7,5	200-220	70-80
12	2,5-5	190-210	70-80
12	1-2,5	180-200	70-80

Tabel 2. Sekundære draw betingelser.

Discussion

Teknikken præsenteres her tillader fremstilling af kilometer kontinuerlige tredimensionale metamaterialer med mikroskala funktionen størrelser, der besidder en plasmoniske svar (og dermed en skræddersyet elektrisk permittivitet) i THz området, effektivt opfører sig som et high-pass filter. Dette kan eksperimentelt karakteriseres ved anvendelse terahertz tidsdomæne spektroskopi ^11. Sådanne fiber-formede metamaterialer kan skæres og stables i bulkmaterialer at realisere et stort antal enheder, eller vævet i andre strukturer, f.eks negative brydningsindeks materialer, når de kombineres med metamaterial fibre besidder en negativ magnetisk permeabilitet i denne serie ^12. Bemærk, at magnetisk reagerende fibre også kan fremstilles i bulk med en variant af teknikken der præsenteres her ^13.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Indium 99.99% Wire, 1 mm diameter	AIM Specialty	Available on request	www.aimspecialty.com http://www.aimspecialty.com/Portals/0/Files/Indium.pdf
2-Propanol(Isopropanol)	Sigma-Aldrich	Product Number 190764	http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/products.html?TablePage=17292086
Adhesive tape	Staples
One Wrap PTFE Tape, 5 ml x 12 mmW x 0.2 mmT	RS Components	RS Stock Number 231-964	http://uk.rs-online.com/web/p/ptfe-tapes/0231964/
50 Micron Aluminium Foil Tape	Advance Adhesive Tapes	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 tubes: - ID 6 mm, OD 12 mm - ID 9 mm, OD 12 mm	B M Plastics: Plastic Fabrication	Available on request	http://www.bmplastics.com.au/about-us.htm
Equipment Requirements
Fibre draw tower with furnaces of maximum temperatures of at least 200 °C (Heathway Polymer Draw Tower with Preform and Fibre draw facilities). A photograph of the draw tower is shown in Figure 5. Annealing oven of maximum temperatures of at least 90 °C. Optical microscope. Hot air gun. Vacuum pump. Top preform extender (metal tube of 30 cm length and 12 mm diameter). Primary draw bottom extender (metal tube of 100 cm length and 12 mm diameter). Secondary draw bottom extender (PMMA tube of 20 cm length and 12 mm diameter).