Summary
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.
Protocol
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:
- 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).
- 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.
- 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.
- Ricuocere i tubi PMMA in un forno di ricottura a 90 ° C per un minimo di 5 giorni.
- Rimuovere un tubo in PMMA da ricottura forno e lasciarla raffreddare a temperatura ambiente.
- Pulire la superficie del tubo PMMA con salviette isopropanolo e lasciare asciugare.
- Collegare il tubo di PMMA per estensione superiore (Figura 6) con nastro riflettente (Figura 7).
- Collegare il tubo di PMMA all'espansore primario fondo draw (Figura 6) con nastro riflettente (Figura 8).
- 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.
- Rimuovere il tubo allungato dalla torre pareggio dopo disegno.
- Tagliare il tubo allungato in 550 mm di lunghezza.
- Ripetere i punti 1.3 e 1.4.
- 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).
- 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.
- 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.
- Collegare il tubo di PMMA per l'estensione primaria inferiore pareggio come indicato in 1.6.
- 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.
- 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.
- Preparare e ricottura tubi guaine PMMA, come indicato al punto 1.1 - 1.4.
- Tagliare il filo di indio a 550 mm di lunghezza.
- Inserire il filo indio nel tubo guaina PMMA per creare l'indio riempito preforma assembly come mostrato in Figura 11.
- Sigillare il lato inferiore del tubo jacketing PMMA come mostrato in 1,11.
- Fissare indio riempito preforma assembly l'estensione superiore come indicato in 1.13 e il secondario estensione inferiore pareggio come indicato in 1.14.
- 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.
- Rimuovere la bobina di fibra indio riempito dalla torre dopo il processo di estrazione è terminata.
- 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.
- 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).
- 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.
- Tagliare il indio riempito fibre a 550 mm di lunghezza.
- Pulire la superficie del tubo PMMA incamiciatura preforme e l'indio riempito fibra con salviette isopropanolo e lasciare asciugare.
- 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).
- Ricuocere il gruppo stacked preforma nel forno di ricottura a 90 ° C per un minimo di 5 giorni.
- Rimuovere il stacked preforma assembly dal forno di ricottura e lasciarla raffreddare fino a temperatura ambiente.
- Fissare indio riempito preforma assembly l'estensione superiore come indicato in 1.13 e il secondario estensione inferiore pareggio come indicato in 1.14.
- 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.
- Rimuovere la bobina di fibra indio impilati dalla torre dopo il processo di estrazione è terminata.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Caricamento della preforma per la sdraw econdary è uguale al processo sorteggio primario (Passaggio 4.1).
- Il pre-riscaldamento per la fase di stiramento secondario è uguale al processo di estrazione primaria (Passo 4.2).
- 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).
- 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.
- 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.
- Se il vuoto è necessario fissare il tubo di aspirazione come mostrato in 4.4.
- 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.
- 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.
- Arrestare il processo come mostrato in 4,5.
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Representative Results
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 microscopio della sezione trasversale di un esempio di una fibra metamateriale con risposta plasmonica in THz è mostrato in Figura 3.
La risposta plasmonica manifesta tale che a basse frequenze il materiale si comporta come un metallo (trasmissione) e ad alta frequenza come un dielettrico (trasmissione elevata), con la frequenza di plasma che definisce il confine tra i due comportamenti. In questo caso specifico, la frequenza di plasma è previsto al 1,2THz, tuttavia la nostra tecnica permette tale da essere facilmente cambiata variando la velocità di stiro, che a sua volta cambia il raggio e la separazione dei fili, come presentato nel rif. 8. La risultante passa-alto comportamento filtraggio della fibra metamateriale, per onde incidenti THz con i loro campi elettrici diretti lungo i fili, può essere misurata mediante spettroscopia terahertz dominio del tempo 11.
La figura mostra 4.ia misure sperimentali di questo tipo di fibra disegnato a tre dimensioni diverse. Questo concorda bene con la teoria, mostrato in Figura 4.ib In entrambi i casi la dipendenza dalla frequenza plasma diametro apparente. Analisi della fibra particolare illustrato in figura 3 fornisce la risposta plasmonica Figura 4.II dove la frequenza di plasma è 0,6 THz.
Figura 1. Multipla maniche giacca sezione trasversale schematica con filo singolo indio. 1 è il filo di indio, 2 è il 1 jacketing PMMA tubo 3 è il 2 ° e 4 è il 3 °.
Figura 2. Vista dall'alto e vista laterale di 1 mm Fibra di PMMA con una singola di 100 micron filo di indio.
Figura 3. (Composite) di immagine ottico trasversale microscopio sezione dei fili di 5 micron indio separati da 50 pm di una fibra in PMMA. (Lente dell'obiettivo 40x).
Figura 4. (I) Schema del setup sperimentale per la misura della trasmittanza metamateriale fibra. (Ii) (a) e sperimentale (b) simulato (metodo degli elementi finiti) trasmittanza per array di fibre metamateriale di diverso diametro (campo elettrico parallelo ai fili), come illustrato nella Rif. 8, che mostrano un ottimo accordo. Una scansione immagine al microscopio elettronico della fibra 590 um è mostrato nel riquadro di (a). Un'immagine della geometria simulata viene mostrato nel riquadro di (b). La più piccola fibra aveva ~ 8 fili di diametro micron separati da ~ 100 um. La regione ombreggiata illustra dove il mezzo non può essere visto come omogeneo. La regione di transizione plasmonici sposta a frequenze inferiori all'aumentare del diametro delle fibre (ottenuto semplicemente cambiando la velocità di stiro), con conseguente spostamento del passa-alto comportamento dei filtri. Dopo Ref.. 8. (Iii) trasmittanza simulato per una matrice della fibra metamateriale mostrato in figura 3, utilizzando lastessi metodi e parametri ottici presentato in rif. 8. Si noti che in questo caso la fibra si presentano una frequenza di plasma circa 0,6 THz. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 5. La parte superiore della torre fibra pareggio sul lato secondario. Si noti in particolare l'avanzamento del mandrino (in alto) e il forno (centro), collegata all'unità di controllo (destra).
Figura 6. (Da sinistra a destra) In basso extender, preforme, e estensione in alto.
Figura 7. Attaccare ing top extender - con PTFE (a sinistra) e nastro riflettente (a destra).
Figura 8 Collegamento prolunga in basso -. Nastro riflettente.
Figura 9. Aria calda pistola crimpatura.
Figura 10. Inserimento del tubo in giacca (a sinistra) e con guarnizione in PTFE (a destra).
Figura 11. Inserimento filo indio nel tubo PMMA.
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Figura 12. Inserimento filo indio stacked fascio di tubi in PMMA.
Figura 13 Dall'alto in basso:. Fissaggio tubo a vuoto di preforme, bloccaggio preforma nella ganascia 3 unità di alimentazione mandrino, e l'alimentazione nella fornace.
Figura 14. Preriscaldare profilo.
Figura 15. Profilo di tensione primaria.
Figura 16. + Discesa sezione preforma.
| Preforme OD (mm) | Velocità di avanzamento (mm / min) | Draw (mm / min) | Temperatura del forno (° C) |
| 12 | 2,5-5 | 25-50 | 185-200 |
| 12 | 5-10 | 15-25 | 185-200 |
| 12 | 10-15 | 10-20 | 185-200 |
Tabella 1. Condizioni pareggio primarie.
| Preforme OD (mm) | Velocità di avanzamento (mm / min) | Temperatura del forno (° C) | Disegna Tensione (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 |
Tabella 2. Condizioni di stiramento secondario.
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Discussion
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 di dispositivi, o tessute in altre strutture, per esempio materiali di indice di rifrazione negativo, quando combinato con fibre metamateriale possiedono una permeabilità magnetica negativa in questo intervallo 12. Si noti che le fibre magneticamente sensibili possono essere fabbricati in massa da una variazione della tecnica qui presentata 13.
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Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata sostenuta in Australia Research Council Discovery regime di finanziamento dei progetti (numero di progetto DP120103942). BTK e AA sono i destinatari di un australiano Future Research Council Fellowship (FT0991895) e Australian Research Fellowship (DP1093789) rispettivamente.
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 | |||
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|||
References
- 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. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies. Science. 314, 977-980 (2006).
- Shalaev, V. M. Optical negative-index metamaterials. Nat. Photonics. 1, 41-48 (2007).
- Liu, Z., Lee, H. Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects. Science. 315, (2007).
- Boltasseva, A., Shalaev, V. M. Fabrication of optical negative-index metamaterials: Recent advances and outlook. Metamaterials. 2, 1-17 (2008).
- Soukoulis, C. M., Wegener, M. Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials. Nat. Photonics. 5, 523-530 (2011).
- Tuniz, A., Kuhlmey, B. T. Drawn metamaterials with plasmonic response at terahertz frequencies. Appl. Phys. Lett. 96, 191101 (2010).
- Argyros, A. Microstructured polymer optical fibers. J. Lightwave Technol. 27, 1571-1579 (2009).
- Donald, I. W. Production, properties and applications of microwire and related products. J. Mater. Sci. 22, 2661-2679 (1987).
- Grischkowsky, D., Keiding, S. Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors. J. Opt. Soc. Am. B. 7, 2006-2015 (1990).
- Wang, A., Tuniz, A. Fiber metamaterials with negative magnetic permeability in the terahertz. Opt. Mat. Express. 1, 115-120 (2010).
- Tuniz, A., Lwin, R. Stacked-and-drawn metamaterials with magnetic resonances in the terahertz range. Opt. Express. 19, 16480-16490 (2011).
