Summary
Los metamateriales en frecuencias de terahercios ofrecen oportunidades únicas, pero son difíciles de fabricar de forma masiva. Nos adaptar el procedimiento de fabricación de fibras de polímero microestructurados ópticos para fabricar económicamente metamateriales potencialmente a escala industrial. Nos producir fibras que contienen polimetilmetacrilato ~ 10 micras de diámetro alambres de indio separadas por ~ 100 micras, que exhiben una respuesta plasmónica de terahercios.
Abstract
Los metamateriales son materiales artificiales compuestos, fabricados por unión de componentes mucho más pequeños que la longitud de onda a la que trabajan 1. Ellos deben sus propiedades electromagnéticas a la estructura de sus constituyentes, en lugar de los átomos que los componen. Por ejemplo, sub-longitud de onda de los alambres de metal puede estar dispuesta para tener una permitividad efectiva eléctrico que puede ser positivo o negativo a una frecuencia dada, a diferencia de los metales mismos 2. Este control sin precedentes sobre el comportamiento de la luz puede conducir potencialmente a una serie de nuevos dispositivos, tales como capas de invisibilidad 3, negativos materiales de índice de refracción 4, y lentes que resolver objetos por debajo del límite de difracción 5. Sin embargo, los metamateriales que funcionan a frecuencias ópticas, en el infrarrojo medio y terahercios se fabrican convencionalmente usando nano y micro-fabricación de técnicas que son caros y producen muestras que se encuentran en la mayoría de unos pocos centimetres en tamaño de 6-7. Aquí presentamos un método de fabricación para producir cientos de metros de alambre de metamateriales metálicos en forma de fibra, que muestran una respuesta terahertz plasmónica 8. Combinamos la pila-y-dibujar técnica utilizada para producir la fibra de polímero óptica microestructurada 9 con el proceso de Taylor-alambre 10, utilizando alambres de indio en el interior de polimetilmetacrilato (PMMA) tubos. El PMMA se ha elegido porque es fácil de manejar, dieléctrico dibujable con adecuadas propiedades ópticas en la región de terahercios, indio, ya que tiene una temperatura de fusión de 156,6 ° C, que es apropiado para codrawing con PMMA. Se incluye un cable de indio y de 1 mm de diámetro y 99,99% de pureza en un tubo de PMMA con un diámetro de 1 mm interior (ID) y 12 mm de diámetro exterior (OD) que se sella en un extremo. El tubo se evacuó y dispuestos a un diámetro exterior de 1,2 mm. La fibra resultante se corta en trozos más pequeños, y se apilan en un tubo más grande PMMA. Esta pila está sellado en unfinal y se introduce en un horno mientras está siendo elaborado rápidamente, reduciendo el diámetro de la estructura por un factor de 10, y aumentando la longitud por un factor de 100. Estas fibras poseen características de la micro-y nano-escala, son inherentemente flexibles, producible en masa, y se puede tejer a exhibir propiedades electromagnéticas que no se encuentran en la naturaleza. Representan una plataforma prometedora para una serie de nuevos dispositivos de terahercios a frecuencias ópticas, tales como fibras, tejidos invisibles paños negativos de índice de refracción, y lentes de super-resolución.
Protocol
Visión de conjunto
El compuesto de indio / PMMA fibra (Figura 3) se produce mediante la elaboración de una pila de fibras de PMMA incluyendo un alambre de indio solo (Figura 2), que a su vez tienen que ser preparados a partir de PMMA disponibles tubos y cables. Los pasos que se presentan son:
- Produce una fibra de PMMA que contiene un cable único indio de diámetro apropiado para el manual de apilamiento. Para ello, primero se prepara un tubo de PMMA que puede acomodar un alambre de 1 mm de indio (Sección 1), a continuación, incluir el indio y sacar al tamaño deseado (Sección 2).
- Stack y sacar las obtenidas individuales indio-llenos fibras de PMMA (Sección 3) para el tamaño requerido.
Las secciones 4 y 5 se detallan los procesos de dibujo utilizados en las secciones 2 y 3.
1. Elaboración del Tubo Revestimiento PMMA
El tubo de encamisado PMMA utilizado para estructurar el alambre de 1 mm de indio está compuesto por stretching y cubiertas aislantes estándar de tubos de PMMA en el proceso de extracción primaria (sección 4) para hacer un último tubo PMMA revestimiento de ID 1 mm y diámetro exterior 12.
- Cortar los tubos de PMMA con el ID de 6 mm y diámetro exterior de 12 mm a 600 mm de longitud. Varios tubos de PMMA debería estar preparado para su uso futuro durante el proceso de manga.
- Recocer los tubos de PMMA en un horno de recocido a 90 ° C durante un mínimo de 5 días.
- Retire un tubo de PMMA de recocido horno y permitir que se enfríe a temperatura ambiente.
- Limpie la superficie del tubo de PMMA con toallitas isopropanol y dejar secar.
- Conecte el tubo de PMMA para extender superior (Figura 6) con cinta reflectante (Figura 7).
- Conecte el tubo de PMMA para extender primario inferior empate (Figura 6) con cinta reflectante (Figura 8).
- Estire el tubo de PMMA en el proceso de elaboración primaria (véase la sección 4). Tenga en cuenta que no se requiere vacío para esta etapa. El tubo de PMMA es estirada desdeOD 12 mm a 6 mm.
- Retire el tubo estirado de la torre de empate después de dibujo.
- Cortar el tubo estirado en longitudes de 550 mm.
- Repita los pasos 1,3 y 1,4.
- Calentar el lado superior del tubo estirado con una pistola de aire caliente hasta que el material se ablanda y engarce sellar el agujero con unos alicates (Figura 9).
- Insertar el tubo estirado en el nuevo tubo de PMMA para crear el conjunto de tubo de PMMA (Figura 10). En el lado inferior del tubo de montaje PMMA (es decir, el lado que tiene el tubo interior abierto estirada), plástico de politetrafluoroetileno (PTFE) de cinta como se muestra en la Figura 10, para sellar el espacio entre el tubo estirado y el nuevo tubo de PMMA.
- Una el extremo superior del tubo de montaje PMMA (es decir, el lado que tiene el tubo interior sellado estirada) para el extensor de la parte superior (Figura 7), utilizando una capa interior de cinta adhesiva, una capa media de cinta de PTFE, y una capa exterior de reflectante cinta. Asegúrese de que elCinta de PTFE es escaso y todos los espacios entre el conjunto de tubo de PMMA y el extensor superior están sellados.
- Conecte el tubo de PMMA para el extensor de drenaje primario inferior, como se muestra en 1.6.
- Estiramiento y el manguito PMMA conjunto del tubo en el proceso de elaboración primaria con vacío (consulte la Sección 4). El conjunto de tubo de PMMA es estirada de OD 12 mm a 6 mm.
- El resultado de tubo estirado revestimiento PMMA tendrá ID / OD de aproximadamente 0,25. Repita 1,9 a 1,15 hasta el último tubo de encamisado PMMA tiene ID / OD de aproximadamente 0,1 con un diámetro interior de 1 mm (Figura 1).
2. Elaboración del relleno de fibra de Indio
El alambre de 1 mm indio es manga y se estiró en el tubo de revestimiento hecha de PMMA en la Sección 1, utilizando el proceso de extracción secundaria (Sección 5) para producir fibra de indio lleno de una final OD 1,2 mm.
- Preparar y recocer tubos de PMMA jacketing como se indica en 1.1 - 1.4.
- Corte el cable de indio hasta 550 mm de longitud.
- Introduzca el alambre de indio en el tubo de encamisado PMMA para crear el indio lleno preforma conjunto como se muestra en la Figura 11.
- Sellar el lado inferior del tubo de encamisado PMMA como se muestra en 1,11.
- Adjuntar indio lleno preforma montaje para el extensor de la parte superior como se muestra en 1,13 y el extensor inferior sorteo secundaria como se muestra en 1,14.
- Estiramiento y el manguito de montaje de indio lleno preforma en el proceso de elaboración secundaria con vacío para hacer la fibra de indio llenado (véase la Sección 5) de una final OD 1 mm tomadas bajo tensión 15-20 g.
- Retire el carrete de fibra de indio lleno de la torre después del proceso de extracción ha terminado.
- Inspeccionar la superficie del extremo y a lo largo de la longitud longitudinal de la indio lleno de fibra utilizando un microscopio de luz. Defectos problemáticas pueden incluir la separación entre el cable y la interfaz de indio PMMA tubo, las fluctuaciones en el diámetro del alambre o grietas de fractura a lo largo de la longitud de la fibra. Imágenes de microscopio óptico de la indfibra ium llenado se presentan en la Figura 2, que muestra un alambre continuo 100 micras de indio en una fibra de 1 mm OD PMMA.
- Repita 2,1 a 2,8 hasta bastante fibra indio lleno se produce para la preforma indio apilados.
3. Elaboración del Indio Stacked fibra
La fibra de indio apilados se fabrica por primera apilamiento de las fibras de indio llenos producidos en el epígrafe 2 en un tubo más grande PMMA revestimiento preforma, que después se estira y manga a las dimensiones de la fibra deseados utilizando el proceso de extracción secundaria (sección 5).
- Prepare el tubo de PMMA preforma revestimiento como se indica en el punto 1.1. Para fines de demostración, vamos a utilizar un tubo de PMMA de 12 mm de diámetro externo y 9 mm de diámetro.
- Cortar el indio lleno fibras a la longitud de 550 mm.
- Limpiar la superficie del tubo de encamisado PMMA preforma y el indio lleno de fibra con toallitas isopropanol y dejar secar.
- Paquete de la fibra de indio lleno con bandas de goma e insertaren el tubo de encamisado PMMA preforma, asegurando las fibras son rectas y son de un ajuste apretado (Figura 12).
- Recocer el montaje apilado preforma en el horno de recocido a 90 ° C durante un mínimo de 5 días.
- Eliminar el apilado preforma montaje del horno de recocido y permitir que se enfríe a temperatura ambiente.
- Adjuntar indio lleno preforma montaje para el extensor de la parte superior como se muestra en 1,13 y el extensor inferior sorteo secundaria como se muestra en 1,14.
- Estiramiento y el manguito de montaje apilado preforma en el proceso de elaboración secundaria con vacío para hacer el indio apilados fibra (véase la Sección 5). Esto se estira a una final OD 0,6 mm dispuesto de 80 g de tensión, produciendo una fibra que contiene metamaterial 5 mm alambres separados por 50 m. Un microscopio óptico de la sección transversal de la fibra de la imagen resultante se muestra en la Figura 3.
- Retire el carrete de fibra de indio apilado de la torre después del proceso de extracción ha terminado.
- EnSPECT y la superficie del extremo a lo largo de la longitud longitudinal de la fibra de indio apilados como se muestra en 2,8 (Figura 3).
4. Proceso Draw Principal
El proceso de extracción primaria se utiliza para estirar las preformas de diámetros exteriores mayores que 1 mm. El siguiente procedimiento se utiliza en la Sección 1: Elaboración del Tubo Revestimiento PMMA.
- Cargue la preforma en la torre de extracción por apriete el extensor superior al mandril de tres mordazas. Alimentar a la preforma en la zona caliente del horno (Figura 13). Alinear la preforma mediante el micrómetro de etapa XY. Cierre la placa superior del horno.
- La etapa de pre-calor eleva la temperatura de la superficie de sección transversal de la preforma a la temperatura de estirado, utilizando el perfil de temperatura mostrado en la Figura 14.
- Comenzar el proceso de estirado mediante el aumento de la temperatura a 185 ° C, a partir de la velocidad de alimentación de 5 mm / min, dibujar velocidad a 6 mm / min y de cierre tque sacar las abrazaderas de la unidad. Examine el comportamiento de la tensión empate en el tiempo (Figura 15).
- Si la tensión aumenta de forma exponencial, parar las unidades de alimentación y drenaje, espere 1 min para permitir que la preforma se caliente a temperatura dibujo, antes de comenzar la alimentación y extraer unidades de nuevo. Repita la prueba hasta que la tensión se estabilice.
- Si la tensión cae, aumentar la velocidad de estirado por 1-2 mm / min. Continuar el aumento de la velocidad de estirado en 1-2 mm / min incrementos (siempre y cuando la tensión se mantiene constante o bien comienza a caer), hasta que la velocidad de estirado requerida se consigue.
- Si el vacío es necesario, fijar el tubo de vacío para el sellado al vacío superior extensor de preforma utilizando Blu-Tac (Figura 13). Encender el vacío después de la alimentación y unidades de drenaje han comenzado a asegurar la preforma está dibujando simétricamente.
- Utilice la condición dibujo principal en la Tabla 1 como una guía en la elaboración de la preforma. Tenga en cuenta la temperatura del horno y la relación bntre la alimentación y dibujar tasa tiene que ser controlada para mantener constante la tensión de diámetro externo y dibujo. Tenga en cuenta que un diámetro exterior indicativo para la fibra estirada se puede obtener a partir de una ecuación de balance de masa,
D final = D inicial (F / D) 1/2
donde D final - es el diámetro de la fibra final, D es el comienzo inicial diámetro preforma, F es la velocidad de alimentación, y D es la velocidad de estirado. Detener la alimentación y la tasa de dibujo y el interruptor del horno cuando la preforma está terminado. Eliminar la preforma de la torre sorteo una vez que la preforma se enfría a temperatura ambiente.
5. Proceso Draw Secundaria
El proceso de extracción secundaria se utiliza para estirar las preformas a menor que 1 mm OD. El siguiente procedimiento se usa en la Sección 2: Fabricación de la fibra llena de indio y 3: Fabricación de la fibra de indio apilados.
- Carga de la preforma para el ssorteo econdary es el mismo que en el proceso de extracción primaria (paso 4,1).
- La etapa de pre-calentamiento para el sorteo secundario es el mismo que en el proceso de extracción primaria (paso 4,2).
- La preforma comienza a cuello hacia abajo una vez que la temperatura de estirado es alcanzado. El menú desplegable de las salidas de preforma de la parte inferior del horno, debido al peso del extensor de fondo proporcionando la fuerza inicial de dibujo (Figura 16).
- Comience la velocidad de alimentación (2,5 - 5 mm / min) y empezar a aumentar la temperatura del horno (2,5 - 5 ° C) para controlar la velocidad de la lista desplegable. El diámetro de la fibra se debe mantener alrededor de 250 a 500 micras para prevenir el chasquido de la fibra.
- Coloque la fibra a la rueda de polea que está girando a una velocidad lenta de menos de 1 m / min inicialmente. Enrolle la fibra alrededor de las ruedas bailarín y adjuntar a la bobina de fibra.
- Si el vacío es necesario conectar el tubo de vacío como se indica en 4.4.
- El estiramiento de fibras será inicialmente bajo condiciones de drenaje transitorios. Sy la velocidad de avance, velocidad y temperatura sacar del horno para los valores de condiciones deseadas del sorteo. Diámetro de la fibra y la tensión de estiraje fluctuará hasta alcanzar el estado estacionario después de unos minutos.
- Utilice la condición dibujo secundario en la Tabla 2 como una guía cuando el dibujo de la preforma. Tenga en cuenta la temperatura del horno y de la relación entre la alimentación y la tasa de extracción deben ser monitoreados para mantener constante la tensión de diámetro externo y dibujo.
- Detener el proceso, como se muestra en 4.5.
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Representative Results
Fibras de metamateriales se produjeron usando la técnica descrita. Ellos se ensambla a partir de una preforma de 1 mm de fibras de PMMA que contienen 100 m de diámetro alambres continuos de indio, que se muestran en la Figura 2, que a su vez habían sido extraídos de una preforma de 1 mm de alambres de indio contenidas dentro de una camisa de 10 mm de polímero, que se produjo por enfundado tubos de polímero de tamaño adecuado, como se muestra en el esquema de la figura 1. Una imagen microscópica de la sección transversal de un ejemplo de una fibra metamaterial con respuesta plasmónica en el rango de THz se muestra en la Figura 3.
La respuesta plasmónica se manifiesta de tal manera que a bajas frecuencias del material se comporta como un metal (baja transmisión) y en las frecuencias altas como un dieléctrico (alta transmisión), con la frecuencia del plasma que define el límite entre los dos comportamientos. En este caso específico, la frecuencia del plasma se espera en 1,2THz, sin embargo, nuestra técnica permite a este ser fácilmente cambiado mediante la variación de la velocidad de extracción, que a su vez cambia el radio y la separación de los cables, tal como se presenta en la ref. 8. La resultante de paso alto comportamiento de filtrado de la fibra metamaterial, para ondas de THz incidentes con sus campos eléctricos dirigidos a lo largo de los cables, se puede medir a través de espectroscopia de dominio de tiempo de terahercios 11.
La figura muestra 4.ia mediciones experimentales de este tipo de fibra estirada a tres dimensiones diferentes. Esto concuerda muy bien con la teoría, se muestra en la Figura 4.ib En ambos casos, la dependencia de la frecuencia de plasma en diámetro es aparente. Análisis de la fibra particular que se muestra en la Figura 3 da la respuesta plasmónica muestra en la Figura 4.ii donde la frecuencia de plasma está a 0,6 THz.
Figura 1. Multiple cross chaqueta de manga esquemática sección con alambre indio individual. 1 es el cable de indio, 2 es el 1 º de PMMA tubo encamisado, 3 es el 2 º y 4 es la 3 ª.
Figura 2. Vista superior y vista lateral de 1 mm de fibra de PMMA con un solo alambre de indio 100 micras.
Figura 3. (Compuesto) imagen óptica transversal microscopio sección de los cables de indio 5 micras separados por 50 micras en una fibra de PMMA. (Lente de objetivo de 40x).
Figura 4. (I) Esquema de la configuración experimental para la medición de la transmitancia de fibra metamaterial. (Ii) (a) Experimental y (b) simulado (método de elementos finitos) transmitancia para las matrices de fibras metamateriales de diferentes diámetros (campo eléctrico paralelo a los cables), que se presentan en la ref. 8, que muestran muy buena concordancia. Una imagen de microscopio electrónico de barrido de la fibra de 590 micras se muestra en la inserción de (a). Una imagen de la geometría de la simulación se muestra en la inserción de (b). El más pequeño de fibra se ~ 8 m de diámetro alambres separados por ~ 100 m. La región sombreada ilustra en donde el medio no puede ser visto como homogéneo. La región de transición plasmónica se desplaza hacia frecuencias más bajas a medida que aumenta el diámetro de la fibra (que se obtiene simplemente cambiando la velocidad de estiramiento), resultando en un desplazamiento del comportamiento de filtrado paso alto. Después de Ref. 8. (Iii) la transmitancia simulado para una matriz de la fibra metamaterial muestra en la Figura 3, usando elmismos métodos y parámetros ópticos presentan en la Ref. 8. Tenga en cuenta que en este caso la fibra exhibiría una frecuencia de plasma alrededor de 0,6 THz. Haga clic aquí para ampliar la cifra .
Figura 5. Sección superior de la torre de estiramiento de fibras en el lado secundario. Tenga en cuenta, en particular, el mandril de alimentación (parte superior) y el horno (en el medio), conectado a la unidad de control (derecha).
Figura 6. (De izquierda a derecha) Inferior extensor, preforma y extensor superior.
Figura 7. Fije ción superior extender - con PTFE (izquierda) y cinta reflectante (derecha).
Figura 8 Colocación extensor inferior -. Cinta reflectante.
Figura 9. Aire caliente pistola de engarzado.
Figura 10. Inserción de tubo en la chaqueta (izquierda) y con junta de PTFE (derecha).
Figura 11. Inserción de alambre de indio en el tubo de PMMA.
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Figura 12. Inserción de alambre apiladas indio haz en el tubo de PMMA.
Figura 13 De arriba a abajo:. Tubo de vacío para fijar la preforma, preforma de sujeción en la unidad de alimentación de 3 mordazas, y la alimentación en el horno.
Figura 14. Precalentar perfil.
Figura 15. Perfil de tensión primaria.
Figura 16. + Drop-down sección preforma.
| Preforma OD (mm) | Avance (mm / min) | Dibuja Rate (mm / min) | Temperatura del horno (° C) |
| 12 | 2.5-5 | 25-50 | 185-200 |
| 12 | 5-10 | 15-25 | 185-200 |
| 12 | 10-15 | 10-20 | 185-200 |
Tabla 1. Principales condiciones del sorteo.
| Preforma OD (mm) | Avance (mm / min) | Temperatura del horno (° C) | Dibuja tensión (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 |
Tabla 2. Condiciones marginales del sorteo.
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Discussion
La técnica presentada permite la fabricación de kilómetros de continuas tridimensionales metamateriales con tamaños de las características de la microescala, poseyendo una respuesta plasmónica (y por lo tanto una permitividad eléctrica de chaqueta) en el rango de THz, efectivamente comportarse como un filtro de paso alto. Esto puede ser caracterizado experimentalmente usando terahercios en dominio de tiempo espectroscopía 11. Tales fibras en forma de metamateriales pueden ser cortadas y apiladas en materiales a granel para realizar un gran número de dispositivos, o tejidos en otras estructuras, por ejemplo materiales de índice de refracción negativo, cuando se combina con fibras metamateriales poseen una permeabilidad magnética negativa en este rango de 12. Tenga en cuenta que las fibras de respuesta magnética también puede ser fabricado en grandes cantidades por una variación de la técnica que aquí se presenta 13.
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
Esta investigación fue financiada en virtud del régimen Australian Research Council Discovery financiación de proyectos (proyecto número DP120103942). BTK y AA son los destinatarios de un Consejo de Investigación Australiano Futuro Fellowship (FT0991895) y Australian Research Fellowship (DP1093789), respectivamente.
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 | |||
|
|||
References
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