Fabrikkere Metamaterials Bruke Fiber Tegning Method

Summary

Metamaterials på terahertz frekvenser tilbyr unike muligheter, men er utfordrende å dikte i bulk. Vi tilpasser fabrikasjon prosedyre for microstructured polymer optiske fibre til inexpensively dikte metamaterials potensielt på en industriell skala. Vi produserer polymetyl fibre inneholder ~ 10 mikrometer i diameter indium ledninger atskilt med ~ 100 mikrometer, som viser en terahertz plasmonic respons.

Abstract

Metamaterials er menneskeskapte komposittmaterialer, fabrikkert av montering av komponenter mye mindre enn bølgelengden der de opererer ^en. De skylder sine elektromagnetiske egenskaper til strukturen av deres bestanddeler, i stedet for de atomer som skriver dem. For eksempel, kan sub-bølgelengde metalltråder ordnes å besitte en effektiv elektrisk permittivitet som er enten positive eller negative ved en gitt frekvens, i motsetning til de metaller selv ^2. Denne enestående kontroll over oppførselen til lys kan potensielt føre til en rekke nye enheter, for eksempel usynlighet kapper ^3, negative brytningsindeks materialer ^4, og linser som løse objekter under diffraksjon grensen ^5. Imidlertid er metamaterials opererer på optiske, mid-infrarød og terahertz frekvenser konvensjonelt laget ved hjelp av nano-og mikro-fabrikasjon teknikker som er dyre og produsere prøver som er på de fleste noen CENtimetres i størrelse ^6-7. Her presenterer vi en fabrikasjon metode for å produsere hundrevis av meter med metalltråd metamaterials i fiber form, som viser en terahertz plasmonic respons ^8. Vi kombinerer bunken-og-trekke teknikk brukes til å produsere polymer microstructured optisk fiber ⁹ med Taylor-wire prosess ^10, ved hjelp av indium ledningene inne polymetylmetakrylat (PMMA) rør. PMMA er valgt fordi det er en enkel å håndtere, strekkbare dielectric med egnede optiske egenskaper i terahertz regionen; indium fordi den har en smeltetemperatur av 156,6 ° C, som er hensiktsmessig for codrawing med PMMA. Vi inkluderer indium wire av 1 mm diameter og 99,99% renhet i en PMMA rør med 1 mm indre diameter (ID) og 12 mm utvendig diameter (OD) som er forseglet i den ene enden. Røret evakueres og trukket ned til en ytre diameter på 1,2 mm. Det resulterende fiber blir deretter kuttet i mindre stykker, og stables i et større PMMA rør. Dette stabelen er forseglet på enende og mates inn i en ovn mens de raskt trukket, å redusere diameteren av strukturen med en faktor på 10, og øke lengden med en faktor på 100. Har slike fibre funksjonene på mikro-og nano-skala, er iboende fleksible, masse-produserbare, og kan veves å utvise elektromagnetiske egenskaper som ikke finnes i naturen. De representerer en lovende plattform for en rekke nye enheter fra terahertz til optiske frekvenser, for eksempel usynlige fibre, vevde negative brytningsindeks kluter, og super-løse linser.

Protocol

Oversikt

Kompositten indium / PMMA fiber (Figur 3) er produsert ved å tegne en stabel av PMMA fibre inkludert en enkelt indium ledning (figur 2), som i seg selv må være fremstilt fra tilgjengelige PMMA rør og ledninger. Trinnene som presenteres er:

1. Produsere en PMMA fiber som inneholder en enkelt indium tråd av diameter passer for manuell stabling. For dette, må du først lage en PMMA rør som kan romme en 1 mm indium wire (§ 1), og deretter inkludere indium og trekke til ønsket størrelse (§ 2).
2. Stable og trekke de oppnådde individuelle indium-fylt PMMA fiber (§ 3) til ønsket størrelse.

§ § 4 og 5 detalj tegning prosesser som brukes i del 2 og 3.

1. Fabrikasjon av PMMA jacketing Tube

PMMA jacketing rør som brukes til å strukturere en mm indium ledning laget av stretching og hylse standard PMMA rør i den primære uavgjort prosessen (§ 4) for å gjøre en endelig PMMA jacketing tube ID 1 mm og OD 12 mm.

1. Skjær PMMA rør med ID 6mm og OD på 12 mm til 600 mm lengder. Flere PMMA rør bør være forberedt for fremtidig bruk under sleeving prosessen.
2. Anneal PMMA rørene i en Annealing ovn ved 90 ° C i et minimum av 5 dager.
3. Fjerne en PMMA rør fra annealing ovn og la den avkjøles til romtemperatur.
4. Rengjør overflaten av PMMA røret med isopropanol kluter og la den tørke.
5. Fest PMMA røret til toppen extender (figur 6) ved hjelp av reflekterende bånd (figur 7).
6. Fest PMMA rør til primær uavgjort bunnen extender (figur 6) med reflekterende tape (Figur 8).
7. Strekk PMMA rør i den primære tegneprosessen (se avsnitt 4). Oppmerksom på at ingen vakuum er nødvendig for dette trinn. PMMA rør er strukket fraOD 12 mm til 6 mm.
8. Fjern strukket røret fra uavgjort tårnet etter tegning.
9. Skjær strukket slangen inn 550 mm lengder.
10. Gjenta trinn 1,3 og 1,4.
11. Varm oversiden av det strukkede røret med en varmluftpistol til materialet mykner og krymp forsegle hullet med tang (figur 9).
12. Sett strukkede røret inn i den nye PMMA røret å opprette PMMA rørenheten (figur 10). På undersiden av PMMA rørenheten (dvs. den siden som har den indre strukket rør åpent), vikle polytetrafluoretylen (PTFE)-tape som vist i Figur 10, for å forsegle åpningen mellom det strukkede røret og det nye PMMA røret.
13. Fest øverste enden av PMMA rørenheten (dvs. den siden som har den indre strukket rør forseglet) til toppen extender (figur 7), ved hjelp av et indre lag av klebrig tape, et midlere sjikt av PTFE-tape, og et ytre lag av reflekterende tape. SikrePTFE tape er stramt og alle åpninger mellom PMMA slange og toppen extender er forseglet.
14. Fest PMMA tuben til primære uavgjort bunnen extender som vist i 1.6.
15. Strekk og ermet PMMA slange i den primære tegneprosessen med vakuum (se avsnitt 4). PMMA rørenheten spennes fra OD 12 mm til 6 mm.
16. Den resulterende strukket PMMA jacketing røret vil ha ID / OD på ca 0,25. Gjenta 1,9 til 1,15 til endelig PMMA jacketing røret har ID / OD av omtrent 0,1 med en ID på 1 mm (figur 1).

2. Fabrikasjon av Indium Fylt Fiber

1 mm indium wire er ermer og strekkes i PMMA jacketing røret laget i del 1 ved hjelp av sekundære uavgjort prosessen (avsnitt 5) for å produsere indium fylt fiber med en endelig OD 1,2 mm.

1. Forberede og anneal PMMA jacketing rør som vist i 1.1 til 1.4.
2. Kutt indium ledningen til 550 mm lengder.
3. Sett indium ledningen inn i PMMA jacketing røret for å opprette indium fylt preform montering som vist i figur 11.
4. Forsegle bunnsiden av PMMA jacketing røret som vist i 1,11.
5. Fest indium fylt preform montering til toppen extender som vist i 1,13 og den sekundære uavgjort bunnen extender som vist i 1,14.
6. Strekk og ermet indium fylt preform montering i den sekundære tegneprosessen med vakuum for å gjøre indium fylt fiber (se avsnitt 5) av en endelig OD 1 mm trukket under 15-20 g spenning.
7. Ta spolen av indium fylt fiber fra tårnet etter kjøpet er fullført.
8. Inspisere endface og langs den langsgående lengden av indium fylt fiber ved hjelp av en lysmikroskop. Problematiske defekter kan inkludere separasjon mellom indium wire og PMMA tubing grensesnitt, svingninger i tråddiameter eller brudd sprekker langs lengden av fiberen. Optisk mikroskop bilder av indIUM fylt fiber er presentert i figur 2, som viser en kontinuerlig 100 mikrometer indium wire i en 1 mm OD PMMA fiber.
9. Gjenta 2,1 til 2,8 før nok indium fylt fiber framstilt for indium stablede preform.

3. Fabrikasjon av Indium Stacked Fiber

Indium stablet fiberen er fabrikkert av første stabling indium fylt fibrene produsert i secton 2 i en større PMMA preform jacketing tube, som deretter strekkes og ermer til ønskede fiberdimensjoner hjelp den sekundære uavgjort prosessen (§ 5).

1. Klargjør PMMA preform jacketing tube som vist i 1.1. For demonstrering, vil vi bruke en PMMA rør på 12 mm OD og 9 mm ID.
2. Kutt indium fylt fiber til 550 mm lengde.
3. Rengjør overflaten av PMMA preform jacketing tube og indium fylt fiber med isopropanol kluter og la den tørke.
4. Bunt indium fylt fiber ved hjelp av gummistrikk og settinn PMMA preform jacketing tube, sikre fibrene er rette og er av en tett passform (Figur 12).
5. Anneal stablet forform sammenstillingen i hybri ovn ved 90 ° C i et minimum av 5 dager.
6. Fjern stacked emnet montering fra hybri ovnen og la den avkjøles til romtemperatur.
7. Fest indium fylt preform montering til toppen extender som vist i 1,13 og den sekundære uavgjort bunnen extender som vist i 1,14.
8. Strekk og ermet stablet preform forsamlingen i den sekundære tegneprosessen med vakuum for å gjøre indium stablet fiber (se avsnitt 5). Dette er strukket til en endelig OD 0,6 mm trukket under 80 g spenning, produsere en metamaterial fiberholdige 5 mm ledninger adskilt med 50 mikrometer. Et optisk mikroskop tverrsnittsriss bilde av den resulterende fiber er vist i figur 3..
9. Ta spolen av indium stablet fiber fra tårnet etter kjøpet er fullført.
10. IBevar endface og langs den langsgående lengden av indium stablet fiber som vist i 2.8 (figur 3).

4. Primære Draw Process

Den primære uavgjort prosessen brukes til å strekke preforms til ytre diameter større enn 1 mm. Følgende prosedyre brukes i § 1: Fabricating PMMA jacketing Tube.

1. Laster emnet på uavgjort tårnet ved å klemme den øverste extender til de tre kjeve chuck. Mate emnet inn i varme-sonen i ovnen (fig. 13). Juster emnet med XY mikrometer scenen. Lukk topplaten av ovnen.
2. Den forvarming stadium hever temperaturen på tverrsnittsarealet av emnet til tegningen temperatur, ved hjelp av temperaturen til profilen vist i figur 14.
3. Påbegynne tegningen prosessen ved å øke temperaturen til 185 ° C, starter matehastigheten på 5 mm / min, tegne sats på 6 mm / min og avsluttes than trekke enhet klemmer. Undersøke oppførselen uavgjort spenning over tid (fig. 15).
   • Hvis spenningen øker eksponentielt, stoppe fôr-og uavgjort enheter, vent 1 min å la emnet å varme opp til tegning temperatur, før du starter fôr og trekke enhetene igjen. Gjenta testen inntil strekket stabiliseres.
   • Hvis spenningen faller, øker uavgjort satsen med 1-2 mm / min. Fortsette å øke uavgjort sats på 1-2 mm / min intervaller (så lenge spenningen enten forblir konstant eller begynner å falle), inntil ønsket uavgjort hastigheten er oppnådd.
4. Hvis vakuum kreves, feste vakuumrøret til vakuum forseglet topp preform extender hjelp Blu-Tac (Figur 13). Slå på vakuum etter fôr og trekke enheter har begynt å sikre emnet trekker symmetrisk.
5. Bruk den primære tegning tilstand i tabell 1 som en veiledning når tegning emnet. Obs ovnen temperatur og forholdet between innmatingen og trekke sats må overvåkes for å opprettholde konstant OD og tegningen spenning. Vær oppmerksom på at en veiledende ytre diameter for trukket fiber kan fås fra en massebalanse ligning,
   D _endelig = D _start (F / D) ^1/2
   der D _endelig - er den endelige fiberdiameter, er D _Start innledende preform diameter, F er matehastigheten, og D er uavgjort rate. Stopp foring og tegning rate og bryteren av ovnen når emnet er ferdig. Fjern forform fra trekningen tårnet når emnet avkjøles til romtemperatur.

5. Sekundær Draw Process

Den sekundære uavgjort prosessen brukes til å strekke preforms til ODS mindre enn 1 mm. Følgende prosedyre blir brukt i Avsnitt 2: Fabricating indium fylt fiber og 3: Fabricating indium stablede fiber.

1. Legge emnet for secondary uavgjort er den samme som i den primære trekningen prosessen (trinn 4.1).
2. Den forvarming scenen for sekundære uavgjort er den samme som i den primære trekningen prosessen (trinn 4.2).
3. Emnet begynner å halsen ned når tegningen temperaturen er nådd. Rullegardinknappen av preform utganger bunnen av ovnen på grunn av vekten av den nedre extender gi innledende tegningen kraften (figur 16).
4. Start matehastigheten (2,5 til 5 mm / min), og begynne å øke ovnstemperaturen (2,5 - 5 ° C) for å styre hastigheten rullegardinlisten. Fiberdiameteren bør opprettholdes rundt 250-500 um for å forhindre fiber snapping.
5. Fest fiber til kapstan hjulet som spinner i en langsom hastighet på under 1 m / min i utgangspunktet. Vikle fiber rundt danser hjul og feste til fiber spolen.
6. Hvis vakuum kreves feste vakuumrøret som vist i 4.4.
7. The fiber uavgjort vil i utgangspunktet være under forbigående uavgjort forhold. Set fôret rente, tegne hastighet og ovn temperaturen til ønsket uavgjort tilstand verdier. Fiber diameter og uavgjort spenning vil svinge til steady state oppnås etter noen få minutter.
8. Bruk den sekundære tegning tilstand i tabell 2 som en veiledning når tegning emnet. Obs ovnen temperatur og forholdet mellom mating og tegne sats må overvåkes for å opprettholde konstant OD og tegningen spenning.
9. Stoppe prosessen som vist i 4.5.

Representative Results

Metamaterial fibre ble produsert ved hjelp av teknikken beskrevet. De ble satt sammen fra en preform av en mm PMMA fibre inneholdende 100 mikrometer diameter kontinuerlig indium ledninger, vist i figur 2, som i sin tur hadde selv blitt trukket fra en preform av en mm indium ledninger inneholdt inne en 10 mm polymer jakke, som ble produsert ved hylse riktig størrelse polymer rør, som vist i skjematisk i fig 1. Et mikroskop bilde av tverrsnittet av et eksempel på en fiber med metamaterial plasmonic respons i THz serien er vist i figur 3..

Plasmonic responsen manifesterer seg slik at ved lave frekvenser materialet oppfører seg som et metall (lav transmisjon) og ved høye frekvenser som et dielektrikum (høy transmisjon), med plasma frekvens definere grensen mellom de to virkemåter. I dette spesifikke tilfellet er plasma frekvensen kl 1,2THz, men våre teknikken tillater dette å bli lett endret ved å variere tegnehastighet, som i sin tur endrer radius og separasjon av trådene, som presentert i Ref. ^8. Den resulterende høy-pass filtrering oppførselen metamaterial fiber, for hendelsen THz bølger med sine elektriske felter rettet langs ledningene, kan måles via terahertz tidsdomenet spektroskopi ^11.

Figur 4.ia viser eksperimentelle målinger av denne type fiber trukket til tre forskjellige dimensjoner. Dette stemmer godt med teorien, vist i figur 4.ib I begge tilfeller plasma frekvensavhengighet av diameter er tydelig. Analyse av den spesielle fiber vist i figur 3 gir plasmonic respons vist i figur 4.ii hvor plasma frekvens er på 0,6 THz.

Figur 1. Flere ermer jakke tverrsnitt skjematisk med én indium wire. 1 er indium ledningen, 2 er den ^1. jacketing PMMA tube, 3 er det ^2., og 4 er den ^3..

Figur 2. Ovenfra og sideriss av en mm PMMA fiber med en enkelt 100 mikrometer indium wire.

Figur 3. (Kompositt) optisk mikroskop tverrsnitt bilde av 5 mikrometer indium ledninger adskilt med 50 mikrometer i en PMMA fiber. (40x objektiv).

Figur 4. (I) Skjematisk fremstilling av den eksperimentelle oppsett for måling metamaterial fiber transmisjon. (Ii) (a) Eksperimentell og (b) simulert (Finite Element Method) transmittans for matriser av metamaterial fibre av ulike diametere (elektrisk felt parallelt med ledninger), som presentert i Ref. ^8, viser svært god overensstemmelse. En scanning elektronmikroskop bilde av 590 mikrometer fiber er vist i det innfelte av (a). Et bilde av den simulerte geometri er vist i det innfelte av (b). Den minste fiber hadde ~ 8 mikrometer diameter ledninger adskilt av ~ 100 mikrometer. Det skraverte området viser hvor mediet ikke kan ses som homogen. Plasmonic overgangsområde skifter til lavere frekvenser som vi øker fiberdiameteren (fremstilt bare ved å endre tegnehastighet), som resulterer i en forskyvning av det høy-pass filtrering atferd. Etter Ref. ^8. (Iii) Simulert transmittans for en rekke metamaterial fiber vist i figur 3, ved hjelp avsamme metodene og optiske parametere presentert i Ref. ^8. Vær oppmerksom på at i dette tilfellet fiber ville vise en plasma frekvens rundt 0,6 THz. Klikk her for å se større figur .

Figur 5. Toppseksjon av fiberen uavgjort tårnet på sekundærsiden. Legg spesielt merke til chucken mating (øverst) og ovnen (i midten), koblet til kontrollenheten (høyre).

Figur 6. (Venstre til høyre) Bottom extender, preform, og topp extender.

Figur 7. Fest ing topp utvider - med PTFE (til venstre) og reflekterende tape (til høyre).

Figur 8 Feste bunnen utvider -. Reflekstape.

Figur 9. Varmluftpistol crimp.

Figur 10. Sette rør i jakke (til venstre) og med PTFE forsegling (høyre).

Figur 11. Sette indium ledningen inn PMMA rør.

ad/4299/4299fig12.jpg "/>
Figur 12. Sette indium ledning stablet bunt inn PMMA rør.

Figur 13 topp til bunn:. Feste vakuumrør til preform, fastspenning preform i 3 bakket chuck mateenhet, og mates inn i den ovn.

Figur 14. Forvarm profil.

Figur 15. Primær spenning profil.

Figur 16. + Drop-down preform delen.

Preform OD (mm)	Matehastighet (mm / min)	Tegn Rate (mm / min)	Ovn Temperatur (° C)
12	2,5 til 5	25-50	185-200
12	5-10	15-25	185-200
12	10-15	10-20	185-200

Tabell 1. Primær uavgjort forhold.

12

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

Tabell 2. Sekundære uavgjort forhold.

Discussion

Teknikken som presenteres her kan fabrikasjon av kilometer med sammenhengende tredimensjonale metamaterials med mikroskala funksjonen størrelser, som har en plasmonic respons (og dermed en skreddersydd elektrisk permittivitet) i THz rekkevidde, effektivt oppfører seg som en high-pass filter. Dette kan eksperimentelt preget hjelp terahertz tid-domene spektroskopi ^11. Slike fiber-formede metamaterials kan kuttes og stables inn bulkmaterialer å realisere et stort antall enheter, eller veves inn i andre strukturer, for eksempel negative brytningsindeks materialer, når kombinert med metamaterial fibre besitter en negativ magnetisk permeabilitet i dette området ^12. Merk at magnetisk responsive fibre kan også fremstilles i bulk ved en variant på teknikken presentert 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).