Fabriceren Metamaterialen Met behulp van de Fiber tekenmethode

Summary

Metamaterialen bij terahertz frequenties bieden unieke mogelijkheden, maar zijn uitdagend om te fabriceren in bulk. Wij passen de fabricage procedure voor micro polymere optische vezels mogelijk om goedkoop te fabriceren metamaterials op industriële schaal. Wij produceren polymethylmethacrylaat vezels met ~ 10 micrometer diameter indium draden gescheiden door ~ 100 um, die een terahertz plasmonische reactie vertonen.

Abstract

Metamaterialen zijn kunstmatige composietmaterialen vervaardigd door montagedelen veel kleiner dan de golflengte waarop zij opereren ^1. Ze danken hun elektromagnetische eigenschappen om de structuur van hun kiezers, in plaats van de atomen waaruit ze bestaan. Bijvoorbeeld kan sub-golflengte metaaldraden zijn ingericht om een effectieve elektrische permittiviteit dat positief of negatief is bij een bepaalde frequentie hebben, in tegenstelling tot de metalen zelf ^2. Deze ongekende controle over het gedrag van licht kan mogelijk leiden tot een aantal nieuwe apparaten, zoals onzichtbaarheidsmantels ^3, negatieve brekingsindex materiaal ⁴ en lenzen die objecten op te lossen onder de diffractielimiet ^5. Echter metamaterialen die op optische, midden-infrarood en terahertz frequenties conventioneel gemaakt van nano-en micro-fabricage technieken die duur en produceren monsters die hoogstens enkele centimetres groot ^6-7. Hier presenteren we een verzinsel methode om honderden meters van metaaldraad metamaterialen produceren in vezelvorm, die een terahertz plasmonische reactie ⁸ vertonen. We combineren de stapel-en trek techniek voor microgestructureerde polymere optische vezel ⁹ met de in Taylor-wire proces ^10, met indium draden in polymethylmethacrylaat (PMMA) buizen. PMMA is gekozen omdat het een gemakkelijk te hanteren, trekbare diëlektrische met geschikte optische eigenschappen in het terahertz regio; indium omdat het een smelttemperatuur van 156,6 ° C die geschikt is voor codrawing met PMMA. We hebben een indium draad van 1 mm diameter en 99,99% zuiverheid in een PMMA buis met 1 mm binnendiameter (ID) en 12 mm buitendiameter (OD) die is afgedicht aan een einde. De buis is geëvacueerd en opgenomen met een buitenste diameter van 1,2 mm. De resulterende vezel wordt dan in kleinere stukken geknipt, en gestapeld in een grotere PMMA buis. Deze stack is afgedicht op eenend en toegevoerd aan een oven terwijl ze snel getrokken, waardoor de diameter van de structuur met een factor 10, en toename van de lengte met een factor 100. Dergelijke vezels bezitten functies op de micro-en nano-schaal, zijn inherent flexibel, massa-produceerbaar, en kan worden geweven om de elektromagnetische eigenschappen die niet zijn gevonden in de natuur vertonen. Zij vertegenwoordigen een veelbelovende platform voor een aantal nieuwe apparaten van terahertz naar optische frequenties, zoals onzichtbare vezels, geweven negatieve brekingsindex doeken, en super-oplossen van lenzen.

Protocol

Overzicht

De samengestelde indium / PMMA vezels (figuur 3) wordt geproduceerd door strekken een stapel PMMA vezels inclusief een indium draad (figuur 2), die zelf worden bereid uit beschikbare PMMA buizen en draad. De gepresenteerde stappen zijn:

1. Maak een PMMA vezel die een enkele indium draad met een diameter van geschikt voor handmatige stapelen bevat. Hiervoor eerst een PMMA buis die een 1 mm indium draad (deel 1) is geschikt voor te bereiden, dan is ook de indium en te vestigen op de gewenste grootte (hoofdstuk 2).
2. Stapel en teken de verkregen individuele indium-gevulde PMMA-vezels (punt 3) van de gewenste grootte.

Hoofdstukken 4 en 5 detail de tekening processen die gebruikt worden in de paragrafen 2 en 3.

1. Het vervaardigen van de PMMA Ommantelen Tube

De mantel PMMA buis gebruikt om de draad 1 mm indium structuur wordt gemaakt door stretching en kous standaard PMMA buizen in het primaire proces gelijkspel (hoofdstuk 4) tot een uiteindelijke PMMA mantel buis van ID 1 mm en OD 12 mm te maken.

1. Snij PMMA buizen met ID van 6 mm en buitendiameter van 12 mm tot 600 mm lengte. Verschillende PMMA buizen moeten worden voorbereid voor toekomstig gebruik gedurende de kous proces.
2. Uitgloeien de PMMA buizen in een uitgloei oven bij 90 ° C gedurende ten minste 5 dagen.
3. Verwijder een buisje van PMMA annealing oven en laat het afkoelen tot kamertemperatuur.
4. Reinig het oppervlak van de PMMA buis met isopropanol doekjes en laten drogen.
5. Bevestig de PMMA buis naar boven extender (figuur 6) met behulp van reflecterende tape (Figuur 7).
6. Bevestig de PMMA buis primaire loting onder extender (figuur 6) met behulp van reflecterende tape (figuur 8).
7. Strek de PMMA buis in de primaire tekening proces (zie hoofdstuk 4). Merk op dat geen vacuüm is vereist voor deze fase. De PMMA buis wordt strekte zich uit vanOD 12 mm tot 6 mm.
8. Verwijder de gestrekte buis van de loting toren na tekening.
9. Snijd de gestrekte buis in 550 mm lengte.
10. Herhaal de stappen 1.3 en 1.4.
11. Verwarm de bovenzijde van de gestrekte buis met een heteluchtpistool tot het materiaal zacht en krimp het gat dicht met een tang (Figuur 9).
12. Plaats de gestrekte buis in de nieuwe PMMA buis naar de PMMA-samenstel (figuur 10) te maken. Aan de onderkant van het PMMA-samenstel (de kant die de binnenste gestrekte buis geopend), wrap polytetrafluorethyleen (PTFE) tape zoals getoond in figuur 10, om de kloof tussen de gestrekte buis en de nieuwe PMMA buis af te dichten.
13. Bevestig boveneinde van de PMMA-samenstel (de kant die de binnenste gestrekte buis gesloten is) boven extender (figuur 7), met een binnenlaag van plakband, een middenlaag van PTFE tape en een buitenste laag reflecterend tape. Zorg ervoor dat dePTFE tape is strak en alle openingen tussen de PMMA buis montage en de top extender zijn afgedicht.
14. Bevestig de PMMA buis naar de primaire loting onder extender zoals aangegeven in 1.6.
15. Stretch en de mouw van de PMMA buis montage in het primaire tekening proces met vacuüm (zie hoofdstuk 4). De PMMA-samenstel wordt uitgerekt van OD 12 mm tot 6 mm.
16. De resulterende gerekte PMMA mantel buis zal ID / OD van ongeveer 0,25. 1,9 tot 1,15 herhalen totdat de uiteindelijke PMMA mantel buis ID / OD van circa 0,1 met een ID van 1 mm (figuur 1).

2. Het vervaardigen van de Indium Gevuld Fiber

De 1 mm indium draad mouwen en gestrekt in de PMMA-mantel buis gemaakt in hoofdstuk 1 de hand van secundaire loting proces (hoofdstuk 5) om indium gevuld vezels te produceren met een laatste OD 1,2 mm.

1. Voorbereiden en gloeien PMMA mantel buizen zoals te zien in 1.1 - 1.4.
2. Snijd de indium draad tot 550 mm lengte.
3. Plaats indium draad in de PMMA mantel buis naar de indium gevulde voorvorm zoals afgebeeld in figuur 11 maken.
4. Dicht de onderkant van de mantel PMMA buis zoals getoond in 1.11.
5. Bevestig indium gevuld preforms montage aan de top extender zoals weergegeven in 1.13 en de secundaire loting onder extender zoals in 1.14.
6. Stretch en mouw het indium gevuld voorvorm montage in het secundaire tekening proces met vacuüm indium gevulde vezel (zie hoofdstuk 5) van een definitieve OD 1 mm getrokken onder 15-20 g spanning te maken.
7. Verwijder de spoel van indium gevuld vezels van de toren na de loting is voltooid.
8. Controleer de endface en langs de longitudinale lengte van de vezel indium gevuld met een lichtmicroscoop. Problematisch afwijkingen kunnen bestaan ​​scheiding tussen de draad en indium PMMA buizen interface, schommelingen in de draaddiameter of breuk scheuren langs de lengte van de vezel. Optische microscoop beelden van de indium gevulde vezels zijn weergegeven in figuur 2, die een continue draad 100 urn indium in een 1 mm OD PMMA vezels.
9. Herhaal 2,1 tot 2,8 tot voldoende indium gevuld vezel wordt geproduceerd voor de indium gestapelde voorvorm.

3. Het vervaardigen van de Indium Gestapelde Fiber

Het indium gestapelde vezel wordt vervaardigd door de eerste stapelbeugel indium gevuld vezels geproduceerd in Secte 2 in een grotere PMMA voorvorm mantel buis die vervolgens wordt uitgerekt en mouw de gewenste afmetingen vezel via het tweede verstrekwerkwijze (punt 5).

1. Bereid de PMMA preform mantel buis zoals aangegeven in 1.1. Ter demonstratie, zullen we gebruik maken van een PMMA buis van 12 mm OD en 9 mm ID.
2. Snij de indium gevuld vezels tot 550 mm lengte.
3. Reinig het oppervlak van de PMMA preform mantel buis en de indium gevuld vezel met isopropanol doekjes en laten drogen.
4. Bundel de indium gevuld vezels met behulp van elastiekjes en plaatsin de PMMA voorvorm omhullen buis, zodat de vezels recht en hebben een nauwe passing (figuur 12).
5. Uitgloeien de gestapelde samenstel voorvorm in de annealing oven bij 90 ° C gedurende ten minste 5 dagen.
6. Verwijder de voorvorm gestapelde samenstel van de annealing oven en laat het afkoelen tot kamertemperatuur.
7. Bevestig indium gevuld preforms montage aan de top extender zoals weergegeven in 1.13 en de secundaire loting onder extender zoals in 1.14.
8. Stretch en de mouw van de gestapelde voorvorm montage in het secundaire tekening proces met vacuüm indium gestapelde vezel (zie hoofdstuk 5). Dit wordt uitgetrokken tot een uiteindelijke OD 0,6 mm getrokken onder spanning 80 g, waarbij een vezel die metamateriaal 5 mm draden gescheiden door 50 urn. Een optische microscoop beeld in dwarsprofiel van de verkregen vezel wordt getoond in Figuur 3.
9. Verwijder de spoel van indium gestapelde vezels van de toren na de loting is voltooid.
10. Inspect de endface en langs de longitudinale lengte van de indium gestapelde vezels zoals in 2.8 (figuur 3).

4. Primaire Draw Process

Het primaire verstrekwerkwijze wordt gebruikt preforms rekken tot buitendiameter groter dan 1 mm. De volgende procedure wordt gebruikt in Deel 1: Maken van de PMMA Ommantelen Tube.

1. Laad de voorvorm op de loting toren door het klemmen van de bovenste verlengstuk aan de drie klauwplaat. Voer de voorvorm in de hete zone van de oven (Figuur 13). Lijn de voorvorm met behulp van de XY micrometer podium. Sluit de bovenste plaat van de oven.
2. De voorverwarmingslaag fase verhoogt de temperatuur van de dwarsdoorsnede van de voorvorm naar de trektemperatuur, met het temperatuurprofiel weergegeven in figuur 14.
3. Begint het tekenen door de temperatuur tot 185 ° C, begint de aanzet 5 mm / min, treksnelheid bij 6 mm / min en sluiten thij tekenen eenheid klemmen. Onderzoeken het gedrag van trekspanning in de tijd (Figuur 15).
   • Als de spanning exponentieel, stopt de toevoer en draw eenheden, wacht 1 min om de voorvorm opwarmen tot trektemperatuur, voordat het voer en opnieuw te tekenen eenheden. Herhaal de test tot de spanning stabiliseert.
   • Als de spanning daalt, verhogen de treksnelheid van 1-2 mm / min. Verder verhogen van de treksnelheid in 1-2 mm / min stappen (zolang de spanning ofwel constant blijft of begint te vallen), totdat de gewenste treksnelheid bereikt.
4. Als vacuüm nodig is, bevestigt u de vacuümbuis om het vacuüm verzegeld top preform extender met behulp van Blu-Tac (Figuur 13). Zet het vacuüm na het voeder en draw eenheden begonnen te zorgen voor de voorvorm symmetrisch tekening.
5. Gebruik de primaire tekening staat in tabel 1 als leidraad bij het ​​tekenen van de voorvorm. Noteer de oventemperatuur en de verhouding between de diervoeders en vestigen tarief moeten worden gecontroleerd om een ​​constante OD en de tekening spanning te handhaven. Merk op dat een indicatieve buitendiameter van de getrokken vezel kan worden verkregen uit een massabalans vergelijking
   D = D _{final start} (F / D) ^1/2
   waarbij D _definitief - wordt de uiteindelijke vezeldiameter, D _start is het beginvoorvorm diameter, F is de voeding, en D is de loting tarief. Stop de voeding en treksnelheid en verschuiving van de oven als de voorvorm is voltooid. Verwijder de voorvorm van de trektoren wanneer de voorvorm afkoelt tot kamertemperatuur.

5. Secundaire Draw Process

De secundaire verstrekwerkwijze wordt gebruikt preforms rekken tot ODs kleiner dan 1 mm. De volgende procedure wordt gebruikt in Sectie 2: Maken van de indium gevulde vezel en 3: Maken van de indium gestapelde vezel.

1. Het laden van de preforms voor de secondary draw is hetzelfde als in de eerste verstrekwerkwijze (Stap 4.1).
2. Het voorverwarmen fase voor de secundaire draw is hetzelfde als in de eerste verstrekwerkwijze (Stap 4.2).
3. De voorvorm begint hals-down wanneer de tekening wordt bereikt. De drop-down van de voorvorm verlaat de bodem van de oven door het gewicht van de bodem extender waarin de initiële trekkracht (Figuur 16).
4. Start de voeding (2,5 - 5 mm / min) en start het verhogen van de oventemperatuur (2,5 - 5 ° C) om de snelheid van de drop-down controle. De vezeldiameter worden gehandhaafd rond 250 tot 500 um tot de vezel snapping voorkomen.
5. Bevestig de vezel om de kaapstander wiel dat draait met een lage snelheid van minder dan 1 m / min aanvankelijk. Wikkel de vezel rond de danser wielen en hechten aan de vezel spoel.
6. Als vacuüm is nodig bevestigt u de vacuümbuis, zoals aangegeven in 4.4.
7. De vezel loting zal in eerste instantie onder wisselende verstrekomstandigheden. Set de voeding, tekenen tarief en oven temperatuur op de gewenste loting conditie waarden. Vezeldiameter en trekspanning zal schommelen tot steady-state wordt bereikt na een paar minuten.
8. Gebruik de secundaire tekening staat in tabel 2 als leidraad bij het tekenen van de voorvorm. Noteer de oventemperatuur en de verhouding tussen het uitgangsmateriaal en treksnelheid moeten worden gecontroleerd om constant OD en de opstelling spanning te handhaven.
9. Stoppen zoals getoond in 4.5.

Representative Results

Metamateriaal vezels werden geproduceerd met behulp van de beschreven techniek. Ze is samengesteld uit een voorvorm van 1 mm PMMA vezels met 100 urn diameter continue indium draden, figuur 2, die op hun beurt waren zelf getrokken uit een voorvorm van 1 mm indium draden opgesloten in een mantel 10 mm polymeer, geproduceerd kous door geschikte afmetingen polymeer buizen, zoals weergegeven in het schema van figuur 1. Een microscoop beeld van de dwarsdoorsnede van een voorbeeld van een metamateriaal vezel met plasmonische reactie in het THz bereik is weergegeven in figuur 3.

De plasmonische reactie manifesteert zich zodanig dat bij lage frequenties gedraagt ​​het materiaal zich als een metaal (lage transmissie) en hoge frequenties als een diëlektricum (hoge transmissie), de plasmafrequentie om de grens tussen de twee gedragingen. In dit specifieke geval wordt de plasmafrequentie verwacht 1,2THz, maar onze techniek toelaat gemakkelijk worden gewijzigd door het variëren van de treksnelheid, die op zijn beurt verandert de radius en scheiding van de draden, die in Ref. ^8. De resulterende high-pass filtering gedrag van de metamateriaal vezels, voor incident THz golven met hun elektrische velden gericht langs de draden, kan gemeten worden via terahertz tijddomein spectroscopie ^11.

Figuur 4.ia toont experimentele metingen van dit type vezel getrokken drie dimensies. Dit stemt goed met theorie figuur 4.ib In beide gevallen plasmafrequentie afhankelijkheid diameter blijkt. Analyse van de bepaalde vezel figuur 3 geeft de reactie plasmonische figuur 4.ii waar plasma frequentie van 0,6 THz.

Figuur 1. Meerdere mouwen jas doorsnede schematisch met enkele indium draad. 1 is het indium draad 2 is de mantel 1 ^st PMMA buis 3 wordt de ² en 4 is de ^3.

Figuur 2. Bovenaanzicht en zijaanzicht van 1 mm PMMA vezel met een 100 urn indium draad.

Figuur 3. (Composite) optische microscoop dwarsdoorsnede beeld van de 5 micrometer indium draden gescheiden door 50 pm in een PMMA-vezels. (40x objectief lens).

Figuur 4. (I) Schematische weergave van de experimentele opstelling voor het meten metamateriaal vezel transmissie. (Ii) (a) Experimentele en (b) gesimuleerd (eindige elementen methode) doorlaatbaarheid voor arrays van metamateriaal vezels van verschillende diameters (elektrisch veld parallel aan de draden), zoals voorgesteld in Ref. ^8, geeft zeer goede overeenkomst. Een scanning elektronenmicroscoop beeld van de 590 urn vezel wordt getoond in de inzet van (a). Een beeld van de gesimuleerde geometrie getoond in de inzet van (b). De kleinste vezel had afgescheiden ~ 8 micrometer diameter draden door ~ 100 pm. Het gearceerde gebied toont waar het medium niet worden beschouwd als homogeen. De plasmonische overgangsgebied verschuift naar lagere frequenties als we verhogen vezeldiameter (verkregen door simpelweg de treksnelheid), resulterend in een verschuiving van de hoogdoorlaat filtering gedrag. Na Ref. ^8. (Iii) Simulated doorlaatbaarheid voor een array van metamateriaal vezel getoond in figuur 3, met dedezelfde methoden en optische parameters die in Ref. ^8. Merk op dat in dit geval de vezels zou een plasma frequentie vertonen ongeveer 0,6 THz. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 5. Bovenste deel van de vezel loting toren aan de secundaire zijde. Wordt in het bijzonder de boorkop voeding (boven) en de oven (midden), verbonden met de besturingseenheid (rechts).

Figuur 6. (Van links naar rechts) Bottom extender, preforms, en top extender.

Figuur 7. Bevestig ing top extender - met PTFE (links) en reflecterende tape (rechts).

Figuur 8 bevestigen bottom-uitbreider -. Reflecterende tape.

Figuur 9. Heteluchtpistolen krimp.

Figuur 10. Plaatsen buis in het jasje (links) en met PTFE afdichting (rechts).

Figuur 11. Plaatsen indium draad in PMMA buis.

ad/4299/4299fig12.jpg "/>
Figuur 12. Plaatsen indium draad gestapelde bundel in PMMA buis.

Figuur 13 boven naar beneden:. Verbonden zuigbuis tot voorvorm klemmen voorvorm in de 3 klauwplaat invoereenheid en toevoeren in de oven.

Figuur 14. Verwarm profiel.

Figuur 15. Primaire spanning profiel.

Figuur 16. + Drop-down preform sectie.

Preform OD (mm)	Feed Rate (mm / min)	Teken Rate (mm / min)	Oven Temperatuur (° C)
12	2,5-5	25 tot 50	185 tot 200
12	5 tot 10	15 tot 25	185 tot 200
12	10 tot 15	10 tot 20	185 tot 200

Tabel 1. Primaire verstrekomstandigheden.

12

Preform OD (mm)	Feed Rate (mm / min)	Oven Temperatuur (° C)	Trekspanning (g)
12	10	220 tot 240	70 tot 80
12	7,5-10	210 tot 230	70 tot 80
5-7,5	200 tot 220	70 tot 80
12	2,5-5	190 tot 210	70 tot 80
12	1-2,5	180 tot 200	70 tot 80

Tabel 2. Secundaire verstrekomstandigheden.

Discussion

De techniek maakt de hier gepresenteerde vervaardiging kilometers continue driedimensionale metamaterialen met microschaal functie maten, bezit plasmonische respons (en dus een maat elektrische permittiviteit) in het THz bereik effectief gedragen als een hoogdoorlaatfilter. Dit kan experimenteel worden gekenmerkt met behulp terahertz tijddomein spectroscopie ^11. Dergelijke vezel-vormige metamaterialen kan worden gesneden en gestapeld in bulkmaterialen een groot aantal apparaten te realiseren of ingeweven andere structuren, bijvoorbeeld negatieve brekingsindex materialen, in combinatie met metamateriaal vezels bezitten een negatieve magnetische permeabiliteit in dit bereik ^12. Merk op dat magnetisch responsieve vezels kunnen ook worden vervaardigd in bulk door een variant van de techniek die hier ^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).