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Engineering

Les métamatériaux Fabricating aide de la méthode de tirage de fibre

doi: 10.3791/4299 Published: October 18, 2012

Summary

Les métamatériaux à des fréquences térahertz offrent des occasions uniques, mais sont difficiles à fabriquer en vrac. Nous adaptons la procédure de fabrication des fibres de polymère optique microstructurée à peu de frais fabriquer des métamatériaux potentiellement à l'échelle industrielle. Nous produisons des fibres de polyméthacrylate de méthyle contenant ~ 10 um de diamètre des fils d'indium séparées par environ 100 um, qui présentent une réponse plasmonique térahertz.

Abstract

Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques composites, fabriqués par assemblage de composants beaucoup plus petits que la longueur d'onde à laquelle ils opèrent 1. Ils doivent leurs propriétés électromagnétiques de la structure de leurs électeurs, au lieu de les atomes qui les composent. Par exemple, des fils métalliques sous-longueur d'onde peut être agencé pour posséder une permittivité électrique effectif qui est soit positif, soit négatif à une fréquence donnée, à la différence des métaux eux-mêmes 2. Ce contrôle sans précédent sur ​​le comportement de la lumière peut potentiellement conduire à un certain nombre de nouveaux dispositifs, tels que les capes d'invisibilité 3, négatifs matériaux à indice de réfraction 4, et des lentilles qui résolvent des objets en dessous de la limite de 5 diffraction. Toutefois, les métamatériaux fonctionnant à des fréquences optiques, infrarouge moyen et térahertz sont classiquement réalisées en utilisant des nano-et micro-fabrication qui sont coûteux et produire des échantillons qui sont tout au plus quelques centrestimetres de taille 6-7. Nous présentons ici un procédé de fabrication pour produire des centaines de mètres de métamatériaux de fils métalliques sous forme de fibres, qui présentent une réponse plasmonique térahertz 8. On combine la pile et-dessiner technique utilisée pour produire la fibre optique microstructurée polymère 9 avec le processus de Taylor-fil 10, en utilisant des fils à l'intérieur d'indium polyméthacrylate de méthyle (PMMA) tubes. Le PMMA est choisi parce qu'il est un outil facile à manipuler, diélectrique étirable avec convenables propriétés optiques dans la région terahertz; indium, car il a une température de fusion de 156,6 ° C, ce qui est approprié pour codrawing avec le PMMA. On inclut un fil d'indium de 1 mm de diamètre et de pureté 99,99% dans un tube de PMMA avec 1 mm de diamètre interne (ID) et 12 mm de diamètre extérieur (OD) qui est fermé à une extrémité. Le tube est mis sous vide et étirée à un diamètre extérieur de 1,2 mm. La fibre obtenue est ensuite coupée en morceaux plus petits, et empilées dans un tube plus grand PMMA. Cette pile est fermé à uneextrémité et introduite dans un four tout en étant tiré rapidement, ce qui réduit le diamètre de la structure d'un facteur 10, et l'augmentation de la longueur d'un facteur de 100. Ces fibres possèdent des caractéristiques de la micro-et nano-échelle, sont intrinsèquement flexibles, masse-productible, et peuvent être tissés présentent des propriétés électromagnétiques qui ne sont pas trouvés dans la nature. Ils représentent un tremplin prometteur pour un certain nombre de nouveaux dispositifs térahertz à partir des fréquences optiques, tels que les fibres invisibles, tissés négatifs chiffons indice de réfraction, et super-résolvant les lentilles.

Protocol

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Vue d'ensemble

Le composite d'indium / PMMA fibres (figure 3) est produit par étirage d'un empilement de fibres en PMMA dont un seul fil d'indium (figure 2), qui doivent eux-mêmes être préparés à partir de tubes et de fils de PMMA disponibles. Les étapes présentées sont les suivantes:

  1. Produire une fibre PMMA qui contient un fil d'indium unique de diamètre approprié pour le manuel d'empilage. Pour cela, commencez par préparer un tube de PMMA pouvant accueillir de 1 mm d'indium métallique (section 1), puis inclure l'indium et de tirer à la taille requise (article 2).
  2. Empiler et à tirer les individuels obtenus indium-remplis fibres PMMA (section 3) à la taille requise.

Les articles 4 et 5 détaillent les processus de dessin utilisés dans les sections 2 et 3.

1. Fabrication du tube PMMA sous jaquette

Le tube de gainage PMMA utilisé pour structurer la 1 mm d'indium fil se fait par stretching et manchonnage des tubes standards de PMMA dans le processus de tirage au primaire (Section 4) pour former un tube de gainage finale de PMMA ID 1 mm et diamètre extérieur 12 mm.

  1. Couper des tubes en PMMA avec l'ID de 6mm et diamètre extérieur de 12 mm à 600 mm de longueur. Plusieurs tubes PMMA doit être préparé pour une utilisation ultérieure pendant le processus de gainage.
  2. Recuire les tubes de PMMA dans un four de recuit à 90 ° C pendant au moins 5 jours.
  3. Retirez un tube PMMA de recuit four et laisser refroidir à température ambiante.
  4. Nettoyer la surface du tube PMMA avec des lingettes isopropanol et laisser sécher.
  5. Fixez le tube de PMMA à rallonge supérieur (Figure 6) avec bande réfléchissante (Figure 7).
  6. Fixez le tube de PMMA à rallonge tirage au fond primaire (figure 6) avec bande réfléchissante (Figure 8).
  7. Étirer le tube de PMMA dans le processus de dessin primaire (cf. section 4). Notez qu'aucun vide est nécessaire pour cette étape. Le tube de PMMA est étirée à partir deOD 12 mm à 6 mm.
  8. Retirez le tube étiré depuis la tour de tirage après tirage.
  9. Couper le tube étiré en 550 mm de longueur.
  10. Répétez les étapes 1.3 et 1.4.
  11. Chauffer la partie supérieure du tube étiré avec un pistolet à air chaud jusqu'à ce que le matériau se ramollit et scelle le trou sertir avec une pince (Figure 9).
  12. Insérer le tube étiré dans le tube pour créer une nouvelle PMMA PMMA assemblage du tube (Figure 10). Le côté inférieur du tube de PMMA assemblage (à savoir la face qui porte le tube intérieur allongé ouvert), une pellicule de polytétrafluoréthylène (PTFE), comme indiqué sur la figure 10, pour sceller l'espace entre le tube étiré et le nouveau tube PMMA.
  13. Fixer l'extrémité supérieure du tube de PMMA assemblage (à savoir la face qui porte le tube intérieur étanche étiré) à l'agent d'allongement supérieure (Figure 7), une couche intérieure à l'aide de ruban adhésif, une couche intermédiaire d'une bande en téflon, et une couche externe de réflexion bande. Assurer laRuban PTFE est serré et tous les espaces entre le tube de PMMA et la rallonge dessus sont scellés.
  14. Fixez le tube de PMMA à l'extenseur de fond tirage au primaire comme indiqué en 1.6.
  15. Stretch et douille de l'ensemble du tube PMMA dans le processus de dessin primaire à vide (voir la section 4). L'ensemble de tube est étiré à partir de PMMA OD 12 mm à 6 mm.
  16. Le tube étiré résultant gainage PMMA devra ID / OD d'environ 0,25. Répétez 1,9 à ​​1,15 jusqu'à ce que le tube de gainage finale PMMA a ID / OD d'environ 0,1 avec un ID de 1 mm (figure 1).

2. Fabrication de la fibre chargée de l'indium

Le 1 mm d'indium fil est étiré manches et dans le tube de gainage PMMA faite à la section 1 en utilisant le processus de tirage au secondaire (section 5) pour produire des fibres d'indium rempli d'une DO finale de 1,2 mm.

  1. Préparer et recuit des tubes de gainage en PMMA comme indiqué en 1.1 - 1.4.
  2. Coupez le fil d'indium à 550 mm de longueur.
  3. Insérez le fil d'indium dans le tube de gainage PMMA pour créer l'indium rempli préforme ensemble tel que représenté dans la figure 11.
  4. Sceller la partie inférieure du tube de gainage PMMA comme représenté sur 1,11.
  5. Fixez l'indium rempli ensemble de préforme à l'extension supérieure, comme indiqué au point 1.13 et l'extension tirage au secondaire inférieur comme indiqué dans 1.14.
  6. Stretch et la manche de l'indium rempli assemblage de préforme dans le processus de dessin secondaire à vide pour faire de fibres d'indium remplie (voir la section 5) d'une DO finale de 1 mm élaboré sous tension 15-20 g.
  7. Retirez la bobine de fibre d'indium rempli de la tour après le processus de tirage au sort est terminé.
  8. Inspecter la face d'extrémité et le long de la longueur longitudinale de la fibre d'indium rempli à l'aide d'un microscope optique. Défauts problématiques peut inclure une séparation entre le fil d'indium et de l'interface tube PMMA, les fluctuations du diamètre de fil ou de rupture des fissures le long de la longueur de la fibre. Images au microscope optique de la salleium rempli de fibres sont présentées dans la figure 2, montrant un fil continu 100 um d'indium dans une fibre de 1 mm OD PMMA.
  9. Répéter de 2,1 à 2,8 jusqu'à ce que suffisamment de fibres remplis d'indium est produit pour la préforme indium empilés.

3. Fabrication de la fibre Indium Stacked

La fibre est fabriquée d'indium empilés par les fibres premier empilement d'indium remplissent produites dans Secton 2 dans un grand tube de gainage PMMA préforme, qui est ensuite étiré et manches aux dimensions désirées de fibres en utilisant le procédé d'étirage secondaire (section 5).

  1. Préparer le tube PMMA gainage préforme comme indiqué en 1.1. Aux fins de démonstration, nous allons utiliser un tube de PMMA de 12 mm de diamètre extérieur et 9 mm de diamètre.
  2. Couper l'indium rempli de fibres à 550 mm de longueur.
  3. Nettoyer la surface du tube PMMA gainage préforme et l'indium rempli de fibres avec des lingettes isopropanol et laisser sécher.
  4. Bundle la fibre d'indium remplis à l'aide des bandes de caoutchouc et insérezdans le tube de gainage PMMA préforme, assurant les fibres sont droites et sont d'un ajustement serré (figure 12).
  5. Recuire la préforme empilés ensemble dans le four de recuit à 90 ° C pendant au moins 5 jours.
  6. Enlever la préforme empilés ensemble dans le four de recuit et de la laisser refroidir à température ambiante.
  7. Fixez l'indium rempli ensemble de préforme à l'extension supérieure, comme indiqué au point 1.13 et l'extension tirage au secondaire inférieur comme indiqué dans 1.14.
  8. Stretch et la manche du empilés ensemble de préforme dans le processus de dessin secondaire à vide pour faire indium empilé fibre (voir la section 5). Cet article est étiré à une DO finale 0,6 mm prélevé sous tension 80 g, production d'une fibre méta-matériau contenant 5 mm, séparées par des fils 50 um. Un microscope optique en coupe transversale sur l'image de la fibre qui en résulte est représentée sur la figure 3.
  9. Retirez la bobine d'indium empilé fibre de la tour après le processus de tirage au sort est terminé.
  10. EnSPECT la face d'extrémité et le long de la longueur longitudinale de la fibre d'indium empilés comme indiqué sur 2,8 (Figure 3).

4. Processus de tirage primaire

Le processus d'étirage principal est utilisé pour étirer de préformes diamètres extérieurs supérieurs à 1 mm. La procédure suivante est utilisée dans la section 1: Fabrication du tube PMMA sous jaquette.

  1. Chargez la préforme sur la tour de tirage au sort par le serrage de la rallonge haut vers le mandrin à trois mâchoires. Alimenter la préforme dans la zone chaude du four (figure 13). Aligner la préforme en utilisant la scène micrométrique XY. Fermer la plaque supérieure du four.
  2. L'étape de pré-chauffage élève la température de la surface de section transversale de la préforme à la température d'étirage, à l'aide du profil de température représenté sur la figure 14.
  3. Commencer le processus de dessin en augmentant la température à 185 ° C, à partir de la vitesse d'avance de 5 mm / min, taux de tirer à 6 mm / min et la fermeture til a attiré pinces unitaires. Examiner le comportement de la tension d'étirage au fil du temps (figure 15).
    • Si la tension augmente de façon exponentielle, arrêter les unités d'alimentation et de tirage au sort, attendre 1 min pour permettre la préforme à la chaleur jusqu'à la température dessin, avant de commencer l'alimentation et d'en tirer des unités à nouveau. Répéter jusqu'à ce que la tension se stabilise.
    • Si la tension chute, augmenter le taux d'étirage par 1-2 mm / min. Continuez à augmenter le taux de tirage au sort dans 1-2 mm / min par incréments (tant que la tension reste constante ou commence à tomber), jusqu'à ce que le taux de tirage requis est atteint.
  4. Si le vide est nécessaire, fixez le tube à vide pour le vide scellé haut prolongateur préforme à l'aide Blu-Tac (figure 13). Allumez le vide après la tétée et les unités de tirage ont commencé à assurer la préforme est dessin symétrique.
  5. Utilisez la condition de dessin primaire dans le tableau 1 comme guide lors de l'élaboration de la préforme. Noter la température du four et le rapport bntre l'alimentation et d'en tirer taux doivent être surveillés afin de maintenir constante la tension OD et de dessin. Notez que le diamètre externe indicative pour la fibre étirée peut être obtenu à partir d'une équation de bilan de masse,
    D = D définitive de démarrage (F / D) 1/2
    finale D - est le diamètre de la fibre finale, D est le diamètre de départ initial préforme, F est le débit d'alimentation et D est le débit de soutirage. Arrêter l'alimentation et le taux de tirage et le commutateur du four lorsque la préforme est terminée. Retirer la préforme à partir de la tour d'étirage de la préforme une fois refroidi à température ambiante.

5. Processus de tirage secondaire

Le processus de tirage au secondaire est utilisé pour étirer préformes à moins de 1 mm OD. La procédure suivante est utilisée dans la section 2: Fabrication de la fibre et de l'indium rempli 3: Fabrication de la fibre d'indium empilés.

  1. Chargement de la préforme pour la stirage SECONDAIRE est la même que dans le procédé d'étirage principal (Etape 4,1).
  2. L'étape de pré-chauffage pour le tirage secondaire est la même que dans le procédé d'étirage principal (Etape 4,2).
  3. La préforme commence à col en bas une fois que la température d'étirage est atteinte. Le menu déroulant des sorties préformes le fond du four en raison du poids de l'agent d'allongement de fond fournissant la force de traction initiale (Figure 16).
  4. Démarrer le débit d'alimentation (2,5 - 5 mm / min) et commencer à augmenter la température du four (2,5 - 5 ° C) pour contrôler la vitesse de la liste déroulante. Le diamètre de la fibre doit être maintenu autour de 250 à 500 um pour éviter le claquement de la fibre.
  5. Fixer la fibre à la roue de cabestan qui tourne à une vitesse lente de moins de 1 m / min au départ. Enrouler la fibre autour des roues danseur et le joindre à la bobine de fibre.
  6. Si le vide est nécessaire de fixer le tube à vide comme indiqué en 4.4.
  7. Le tirage au sort sera initialement de fibres dans des conditions de tirage transitoires. Set le débit d'alimentation, température d'étirage et de taux de four pour les valeurs souhaitées état nul. Diamètre de la fibre et de la tension tirage au sort aura fluctuer jusqu'à ce que l'état d'équilibre est atteint après quelques minutes.
  8. Utilisez la condition de dessin secondaire dans le tableau 2 comme guide lors de l'élaboration de la préforme. Noter la température du four et le rapport entre le débit de soutirage et d'alimentation doivent être contrôlés pour maintenir constante la tension et OD dessin.
  9. Arrêtez le processus comme indiqué à la section 4.5.

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Representative Results

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Fibres métamatériaux ont été produits en utilisant la technique décrite. Ils ont été assemblés à partir d'une préforme de fibres 1 mm de PMMA contenant 100 um fils de diamètre indium continues, illustré à la figure 2, qui à leur tour avaient eux-mêmes été élaboré à partir d'une préforme de fils 1 mm d'indium contenues à l'intérieur d'une chemise 10 mm polymère, qui a été produit par manchonnage des tubes de polymères de taille appropriée, comme indiqué dans le schéma de la figure 1. Une image au microscope de la section transversale d'un exemple d'une fibre métamatériaux de la réponse plasmonique dans le domaine THz est illustré à la figure 3.

La réponse plasmonique de telle sorte que se manifeste aux basses fréquences le matériau se comporte comme un métal (faible transmission) et aux hautes fréquences comme un diélectrique (transmission élevée), à ​​la fréquence de plasma qui définit la limite entre les deux comportements. Dans ce cas précis, la fréquence plasma est attendue à 1,2THz, mais notre technique permet cette aisément modifiée en faisant varier la vitesse d'étirage, ce qui modifie à son tour le rayon et la séparation des fils, tel que présenté dans la référence. 8. La résultante passe-haut comportement de filtrage de la fibre métamatériau, pour les ondes incidentes THz avec leurs champs électriques orientés le long des fils, peut être mesurée par spectroscopie térahertz dans le domaine temporel 11.

Figure 4.ia montre les mesures expérimentales de ce type fibre étirée à trois dimensions différentes. Cette s'accorde très bien avec la théorie, illustré à la Figure 4.ib Dans les deux cas, la dépendance en fréquence plasma sur le diamètre est apparente. Analyse de la fibre particulière représentée sur la figure 3 donne la réponse plasmonique représenté sur la figure 4.ii où la fréquence du plasma est à 0,6 THz.

Figure 1
Figure 1. Multiple schématique manches veste croisée avec la section de fil d'indium unique. 1 est le fil d'indium, 2 est le 1 er gainage PMMA tube, 3 est le 2 ème et 4 est le 3.

Figure 2
Figure 2. Vue de dessus et vue de côté de 1 mm PMMA fibre avec un fil unique de 100 um d'indium.

Figure 3
Figure 3. (Composite) d'image optique croix microscope section des fils 5 um d'indium séparées par 50 pm dans une fibre PMMA. (Objectif 40x).

Figure 4
Figure 4. (I) Schéma du montage expérimental pour mesurer la transmittance de fibres métamatériaux. (Ii) (a) expérimentale et (b) simulation (méthode des éléments finis) de transmission pour les tableaux de fibres en métamatériaux de diamètres différents (champ électrique parallèle aux fils), tels que présentés dans la référence. 8, montrant un très bon accord. Un microscope électronique à balayage de la fibre 590 um est indiqué dans l'encart de (a). Une image de la géométrie simulée est indiqué dans l'encart de (b). La plus petite fibre a ~ 8 pm de diamètre des fils séparés par environ 100 um. La région ombrée illustre où le milieu ne peut pas être considérée comme homogène. La zone de transition plasmonique se déplace vers les basses fréquences que l'on augmente le diamètre de la fibre (obtenu simplement en changeant la vitesse de tirage), qui entraîne un report du comportement filtrage passe-haut. Après Ref. 8. (Iii) facteur de transmission pour un réseau simulé de la fibre métamatériau à la figure 3, en utilisant lemêmes méthodes et les paramètres optiques présentées dans Réf. 8. Notez que dans ce cas la fibre présenterait une fréquence de plasma autour de 0,6 THz. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 5
Figure 5. Section supérieure de la tour d'étirage de fibres sur le côté secondaire. Noter en particulier le mandrin d'alimentation (en haut) et le four (au milieu), relié à l'unité de commande (à droite).

Figure 6
Figure 6. (De gauche à droite) Bas extension, une préforme, et le prolongateur haut.

Figure 7
Figure 7. Fixez tion d'extension haut - avec PTFE (à gauche) et des bandes réfléchissantes (à droite).

Figure 8
Figure 8 Fixation de rallonge en bas -. Bande réfléchissante.

Figure 9
Figure 9. Hot air du pistolet à sertir.

Figure 10
Figure 10. Insertion du tube en veste (à gauche) et avec joint PTFE (à droite).

Figure 11
Figure 11. Insertion fil d'indium dans le tube PMMA.

ad/4299/4299fig12.jpg "/>
Figure 12. Insertion fil d'indium empilés ensemble dans le tube PMMA.

Figure 13
Figure 13 De haut en bas:. Fixation tube à vide pour préforme, préforme de serrage dans l'unité 3 mors de mandrin d'alimentation et l'alimentation dans le four.

Figure 14
Figure 14. Préchauffer le profil.

Figure 15
Figure 15. Profil de tension primaire.

Figure 16
Figure 16. + Déroulante section préforme.

Préforme OD (mm) Vitesse d'avance (mm / min) Dessinez Taux (mm / min) Température du four (° C)
12 2,5 à 5 25-50 185-200
12 5-10 15-25 185-200
12 10-15 10-20 185-200

Tableau 1. Conditions tirage primaires.

12
Préforme OD (mm) Vitesse d'avance (mm / min) Température du four (° C) Dessinez Tension (g)
12 10 220-240 70-80
12 7,5 à 10 210-230 70-80
5 à 7,5 200-220 70-80
12 2,5 à 5 190-210 70-80
12 1 à 2,5 180-200 70-80

Tableau 2. Conditions de tirage secondaire.

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Discussion

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La technique présentée ici permet la fabrication de kilomètres de la poursuite des trois dimensions métamatériaux avec des tailles micrométriques métrages, possédant une réponse plasmonique (et donc une permittivité électrique sur mesure) dans le domaine THz, effectivement se comporter comme un filtre passe-haut. Ceci peut être caractérisé expérimentalement à l'aide térahertz dans le domaine temporel spectroscopie 11. Ces fibres en forme de métamatériaux peuvent être coupés et empilés dans des matériaux en vrac de réaliser un grand nombre de périphériques, ou tissés dans d'autres structures, par exemple des matériaux à indice de réfraction négatif, lorsqu'il est combiné avec des fibres métamatériaux possèdent une perméabilité magnétique négatif dans cette gamme 12. Notez que les fibres sensibles au champ magnétique peut également être fabriquée en vrac par une variante de la technique présentée ici 13.

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Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgments

Cette recherche a été financée au titre du régime Australian Research Council à la découverte du financement des projets (DP120103942 numéro de projet). BTK et AA sont les bénéficiaires d'une bourse du Conseil de recherche australien Future (FT0991895) et l'Australian Research Fellowship (DP1093789) respectivement.

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).

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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  2. Pendry, J. B., Holden, A. J. Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures. Phys. Rev. Lett. 76, 4773-4776 (1996).
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Cite this Article

Tuniz, A., Lwin, R., Argyros, A., Fleming, S. C., Kuhlmey, B. T. Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method. J. Vis. Exp. (68), e4299, doi:10.3791/4299 (2012).More

Tuniz, A., Lwin, R., Argyros, A., Fleming, S. C., Kuhlmey, B. T. Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method. J. Vis. Exp. (68), e4299, doi:10.3791/4299 (2012).

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