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Engineering

ファイバー描画法を用いたメタマテリアルの作製

doi: 10.3791/4299 Published: October 18, 2012

Summary

テラヘルツ周波数​​でメタマテリアルは、ユニークな機会を提供していますが、大量に製造するために挑戦しています。我々は、安価に工業的規模で潜在的にメタマテリアルを作製する微細構造ポリマー光ファイバの製作手順を適応させる。我々は、テラヘルツプラズモン応答を示す〜100μm程度、で区切ら〜10μmの直径インジウムワイヤを含むポリ繊維を製造する。

Abstract

メタマテリアルは、彼らが1を操作する波長よりもはるかに小さいコンポーネントを組み合わせて製造された人造の複合材料である。彼らは代わりにそれらを構成する原子の、その成分の構造とそれらの電磁特性を借りている。例えば、サブ波長金属ワイヤが金属それ自体2とは対照的に、与えられた周波数で正または負のいずれかである実効誘電率を有するように配置することができます。光の挙動を介してこの前例のないコントロールは、潜在的にそのような不可視のマント3、負の屈折率材料4と、回折限界5の下にオブジェクトを解決レンズとしての新規デバイスの数につながることができます。しかし、光、中間赤外線、テラヘルツ周波数​​で動作するメタマテリアルは、従来は高価であり、最も少ないのCENにあるサンプルを生成するナノ·マイクロ加工技術を用いて作られていますサイズ6-7のtimetres。ここでは、テラヘルツプラズモン応答8を発揮するファイバー状の ​​金属線メタマテリアルの数百メートルを生産する製造方法を提案する。我々は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)チューブ内インジウムワイヤを使用して、テイラー線プロセス10で微細構造ポリマー光ファイバ9を生成するために使用されるスタック·アンド·ドローテクニックを兼ね備えています。それは、処理するためのテラヘルツ領域における適切な光学特性を持つドロウアブル誘電容易であるため、PMMAが選択されています。インジウムそれは156.6の融解温度を持っているので℃のどちらがPMMAとcodrawingに適しています。我々は、一方の端部に封止されている外径1ミリメートル内径(ID)および12 ​​mm(外径)と直径1mmおよびPMMAの管で純度99.99%のインジウムワイヤーが含まれています。管は排気し、1.2mmの外径まで描かれています。得られた繊維は、その後、小さな断片に切断し、大きいPMMAの管に積層されている。このスタックは、1つで密封されている終わり、急速に引かれながら10倍の構造の直径を小さくすると、100倍の長さを増加し、炉内に供給される。このような繊維は、マイクロ·ナノスケールの特徴をもって、量産可能、本質的に柔軟であり、自然界で発見されていない電磁的特性を示すことが織ることができる。彼らは、テラヘルツからそのような目に見えない繊維、不織布、負の屈折率の布、超解像レンズのような光学周波数に小説デバイスの数のための有望なプラットフォームを表します。

Protocol

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概要

複合インジウム/ PMMAの繊維( 図3)は、自身が利用できるPMMAのチューブやワイヤーから調製しなければならない単一のインジウムワイヤ( 図2)を含むPMMAの繊維の束を描画することにより製造される。表示される手順は、次のとおりです。

  1. スタッキングマニュアルの適切な直径の単インジウムワイヤーが含まれているPMMAの繊維を製造。この場合、最初の1ミリメートルインジウムワイヤ(第1節)を収容することができますPMMAのチューブを準備し、インジウムが含まれており、必要なサイズ(セクション2)に描く。
  2. スタックして、必要なサイズにして得られた個々のインジウム埋めPMMAの繊維(第3節)を描く。

4章と5章詳細セクション2および3で使用される描画処理。

1。 PMMAの被覆管を製造

1ミリメートルインジウムワイヤーを構築するために用いられているPMMA被覆管がstretchiによってなされるNGとID 1ミリメートルとOD 12ミリメートルの最終のPMMA被覆管を作るために主描画過程(セクション4)に標準PMMAの管をスリーブ。

  1. 600ミリメートルの長さ〜12mmの6mmとODのIDを使用してPMMAのチューブをカットします。いくつかのPMMAの管はスリーブ処理中に、将来の使用のために準備する必要があります。
  2. 5日の最低90℃でアニール炉中のPMMA管をアニールする。
  3. オーブンをアニーリングから1 PMMAの管を取り外し、そのまま室温まで冷まします。
  4. イソプロパノールワイプとPMMAの管の表面を清掃し、乾燥することができます。
  5. 反射テープを使用して、最エクステンダ( 図6)(図7)PMMAの管を取り付けます。
  6. 反射テープを使用して、プライマリドロー底エクステンダ( 図6)(図8)にPMMAの管を取り付けます。
  7. (第4章を参照してください)​​一次延伸工程でのPMMA管を伸ばす。ない真空がこのステージに必要とされないことに注意してください。 PMMAの管はから伸縮外径6 mmから12ミリメートル。
  8. 描画後に描画塔から伸縮チューブを取り外します。
  9. 550ミリメートルの長さに伸ばさチューブをカットします。
  10. 手順1.3と1.4を繰り返します。
  11. 材料が軟化するまで、ホットエアガンで延伸チューブの上側を熱し、ペンチ( 図9)を使用して穴を密封圧着します。
  12. PMMAの管アセンブリ( 図10)を作成するための新しいPMMAの管に伸ばさチューブを挿入します。 PMMAの管アセンブリ( つまり開くインナー伸張管を有する側)、ラップ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)テープの下側の図10に示すように、延伸チューブと新しいPMMAの管との間の隙間を密閉する ​​。
  13. 粘着テープ、PTFEテープの中間層、および反射の外側の層の内側の層を使用して、トップエクステンダ( 図7)PMMAの管アセンブリ( すなわち、密封されたインナーチューブ伸張を持つ側)の先端を取り付けテープ。確保PTFEテープがきついとPMMAチューブアセンブリとトップエクステンダ間のすき間は、密封されています。
  14. 1.6に示すように、主描画底エクステンダにPMMAの管を取り付けます。
  15. ストレッチとスリーブ真空を使用して、プライマリ描画処理中のPMMAチューブアセンブリ(セクション4を参照してください)​​。 PMMAの管アセンブリは、外径12 mmから6mmに引き伸ばされている。
  16. 得られた延伸のPMMA被覆管は約0.25の内径/外径を持つことになります。最終のPMMA被覆管が1ミリメートル( 図1)のIDを使用して約0.1の内径/外径を有するまで、1.15から1.9までを繰り返します。

2。インジウムにファイバを製造

1ミリメートルインジウムワイヤは半袖で、最終OD 1.2ミリメートルとインジウム埋め繊維を製造する二次抽選の過程(セクション5)を使用して、セクション1で作成したPMMAの被覆管の中に広​​がっていた。

  1. 1.1に示すように、PMMAの被覆管を準備し、アニール - 1.4。
  2. 550ミリメートルの長さにインジウムワイヤを切断。
  3. 図11に示すように、インジウム埋めリフォームのアセンブリを作成するのPMMA被覆管の中にインジウムワイヤーを挿入します。
  4. 1.11に示すように、PMMAの被覆管の底部側をシールします。
  5. 1.14に示すように、1.13とセカンダリドロー底エクステンダに示すように、上部エクステンダにインジウム満ちリフォーム·アセンブリを取り付けます。
  6. ストレッチとスリーブインジウムは15〜20 gの張力下で描かれた最終OD 1mmのインジウム埋め繊維(セクション5を参照)を作成するために真空を使用してセカンダリの描画過程でプリフォーム·アセンブリを満たした。
  7. ドロープロセスが終了した後、塔からのインジウム埋め繊維のスプールを外します。
  8. 端面を検査して、インジウムの長手方向の長さに沿って光顕微鏡を用いて繊維を充填した。問題のある欠陥はインジウムワイヤおよびPMMAチューブインターフェイスとの間の分離、繊維の長さ方向に沿って線径や骨折のひび割れの変動を含めることができます。 INDの光学顕微鏡像イウム埋め繊維は、1mm径のPMMA繊維の連続100μmのインジウムワイヤを示す、 図2に示されている。
  9. 十分に満たされた繊維インジウム、インジウム積み重ねリフォームのために生成されるまで、2.8から2.1を繰り返します。

3。インジウム積み上げファイバを製造

インジウム積層繊維はまず延伸し、二次抽選の過程(セクション5)を用いて所望の繊維の大きさに長袖大きいPMMAリフォームのジャケット管にSecton 2で作製したインジウム埋め繊維を積層することにより作製される。

  1. 1.1に示すように、PMMAのリフォームのジャケット管を準備します。デモンストレーションの目的のために、私たちは12ミリメートルODおよび9ミリメートルIDのPMMAの管を使用します。
  2. 550ミリメートルの長さに満ちインジウム繊維をカットします。
  3. PMMAのリフォームのジャケット管の表面を清掃し、インジウムはイソプロパノールワイプでファイバーを充填し、乾燥することができます。
  4. ゴムバンドを使用してインジウム埋め繊維を束ねて挿入PMMAのリフォームのジャケットチューブに、繊維を確保することがストレートでタイトフィット( 図12)である。
  5. 5日の最低90℃でアニール炉に積み上げリフォームアセンブリをアニールする。
  6. 焼鈍炉から積み上げリフォーム·アセンブリを取り外し、そのまま室温まで冷まします。
  7. 1.14に示すように、1.13とセカンダリドロー底エクステンダに示すように、上部エクステンダにインジウム満ちリフォーム·アセンブリを取り付けます。
  8. ストレッチとスリーブ(セクション5を参照)インジウム積層繊維を作るために真空をもつ二次延伸工程において、積層プリフォーム·アセンブリ。これは、50μmで区切られた5mmの電線を含むメタマテリアル繊維の製造、80グラムの張力の下に描画最終OD 0.6mmに引き伸ばされている。得られた繊維の光学顕微鏡断面像を図3に示します。
  9. ドロープロセスが終了した後、塔からのインジウム積層繊維のスプールを外します。
  10. でSPECT端面および2.8( 図3)に示すように、インジウム積層繊維の長手方向の長さに沿って。

4。主描画プロセス

主描画プロセスは、1mmより大きい外径にリフォームを伸ばすために使用されます。次の手順は、第1節で使用されています:PMMAの被覆管を製造する。

  1. 3爪チャックを最エクステンダをクランプすることにより、ドロー塔の上にリフォームをロードします。炉のホットゾーン( 図13)にリフォームを養う。のXYマイクロステージを使用してプリフォームを合わせます。炉の上部プレートを閉じます。
  2. 予熱段階は、 図14に示す温度プロファイルを使用して、延伸温度をプリフォームの断面積の温度を上昇させる。
  3. 5mm /分で送り速度を開始し、185℃まで温度を上げることにより、描画処理を開始するには、6 mm / minと閉会トン速度を描く彼はユニットクランプを描く。時間をかけてドローテンション( 図15)の動作を調べます。
    • テンションが指数関数的に増加する場合は、フィードとドローユニットを停止し、リフォームしてフィードを開始する前に、温度を描画するまで加熱して、再度ユニットを描画できるようにする1分間待ちます。テンションが安定するまでテストを繰り返します。
    • テンションが落ちて、1〜2 mm /分で引き分け率を高める。必要な描画速度が達成されるまで、(テンションが、定数のままであるか、または下がり始める限り、)1-2 mm /分刻みで描画速度を増加し続ける。
  4. 真空が必要な場合は、Blu-タック( 図13)を使用して、トップリフォームエクステンダを密封真空に真空管を取り付けます。フィードとドローユニットはリフォームが対称的に描画されていることを確認し始めた後に真空をオンにします。
  5. リフォームを描画するときにガイドとして、 表1に主要な描画条件を使用します。炉内温度と比bの点に注意してくださいフィードをetweenと速度定数をODと描画のテンションを維持するために監視する必要が描く。延伸繊維の指標と外径、質量収支式から求めることができることに注意してください、
    D 決勝 = D 開始 (F / D)1/2
    最後の Dはどこに-最終的な繊維径であり、D スタートは最初のリフォームの直径であり、Fは送り速度であり、Dは描画速度です。摂食と絞り率とリフォームが終了し、炉のスイッチを停止します。プリフォームは、室温まで冷却した後、延伸塔からリフォームを削除します。

5。二次ドロープロセス

二次抽選プロセスが1mm未満ODSにリフォームを伸ばすために使用されます。次の手順は、第2節で使用されています:インジウム埋め繊維と3を製造する:インジウム積層繊維を製造する。

  1. s用プリフォームをロードecondaryドローは主描画処理(ステップ4.1)の場合と同様である。
  2. 二次抽選のための予備加熱の段階では、主描画処理(ステップ4.2)の場合と同様である。
  3. 延伸温度に達するとリフォームはネックダウンを開始します。ドロップダウンリフォーム出口の初期描画力( 図16)を提供するボトムエクステンダーの重量に起因する炉の底。
  4. 送り速度(2.5 - 5mm /分)を起動し、炉内温度を増加し始める - ドロップダウンの速度を制御するために(2.5 5℃)。繊維径は約250維持されるべきである - 500μmのファイバのスナップを防ぐために。
  5. 当初は1の下m / minの遅い速度で回転しているキャプスタンホイールにファイバを接続。ダンサーホイールの周辺にファイバーを巻くと繊維スプールに取り付けます。
  6. 4.4に示すように、真空は真空管を取り付ける必要がある場合。
  7. ファイバ線引きは当初、一時的な描画条件の下になります。 Sら供給速度は、所望の描画条件値に速度と炉の温度を描く。定常状態が数分後に達成されるまで、繊維径とドローテンションが変動します。
  8. リフォームを描画するときにガイドとして、表2にセカンダリの描画条件を使用します。フィードとドロー率との間の炉内温度と比一定のODと描画張力を維持するために監視されなければならないことに注意してください。
  9. 4.5に示すように、プロセスを停止します。

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Representative Results

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メタマテリアル繊維が記載された技術を用いて製造した。彼らは順番に自身が制作された10ミリメートルポリマージャケットの内部に含まれる1ミリメートルインジウムワイヤのリフォームから引き出されていた図2に示すように直径100μmの連続インジウムワイヤを含む1ミリメートルPMMAの繊維のプリフォームから組み立てられた適切なサイズのポリマーチューブ絶縁チューブによって、 図1の回路図に示されている。 THz帯におけるプラズモン応答を持つメタマテリアル繊維の一例の断面の顕微鏡写真を図3に示します。

プラズモン応答は、低い周波数では、金属材料(低伝送)のようにして二つの動作の間の境界を定義するプラズマ周波数​​と誘電体(高透過率)のような高い周波数での動作をすること自体が現れる。この特定のケースでは、プラズマ周波数​​は1.2で期待されているテラヘルツしかし、私たちの技術は容易にターン変化ワイヤの半径と分離は、文献で ​​提示描画速度、図8を変えることによって変更することがこれを許可した。メタマテリアル繊維の結果ハイパスフィルタリング動作は、ワイヤに沿って方向付け、その電界の入射テラヘルツ波を、テラヘルツ時間領域分光法11を介して測定することができます。

図4.iaは、3異なる次元に描画した場合の、このファイバ型の実験測定値を示しています。これは、直径上のプラズマ周波数依存性は明らかであるどちらの場合も、図4.ibに示すように、理論と非常によく一致している。 図3に示すように、特定の繊維の分析は、プラズマ周波数が0.6テラヘルツにある図4.iiに示すプラズモン応答を与える。

図1
図1単一インジウムワイヤーを使用した複数長袖ジャケット断面模式図。 1インジウムワイヤー、2は第1被覆PMMAの管、3は第2 である、4は3回目です。

図2
図2:トップビューと単一100μmのインジウムワイヤーで1ミリメートルのPMMAファイバの側面図。

図3
図3(コンポジット)PMMAの繊維が50μmで区切っ5μmのインジウムワイヤの光学顕微鏡の断面像。 (40倍対物レンズ)。

図4
図4(i)がメタマテリアルファイバ透過率を測定するための実験装置の模式図。 (ⅱ)()実験や文献などで提示直径の異なるメタマテリアル繊維(ワイヤに平行な電界)の配列の(b)のシミュレーション(有限要素法)透過率8では 、非常に良い一致を示す。 590μmファイバの走査型電子顕微鏡像(a)の挿入図に示されています。シミュレートされたジオメトリの画像(b)の挿入図に示されています。最小の繊維が約100μmで〜8μmの直径のワイヤを分離した。媒体は均質とみなすことができない場所斜線領域を示している。我々は高域通過フィルタリング動作のシフトで、その結果、(単に描画速度を変更することで得られる)繊維径を上げるとプラズモン遷移領域は、低い周波数にシフトする。後の参考文献8。使用して、 図3に示すメタマテリアル繊維の配列、(ⅲ)模擬透過率同じメソッドと光学パラメータは文献で ​​提示8。この場合には繊維が0.6テラヘルツの周りのプラズマ周波数を示すであろうことに注意してください。 拡大図を表示するにはここをクリック

図5
図5:二次側のファイバ線引き塔の上部のセクション。特にチャックフィード(上)とコントロールユニット(右)に接続されている炉(中央)に注意してください。

図6
図6(左から右へ)ボトムエクステンダ、リフォーム、トップエクステンダー。

図7
図7。取り付けるトップエクステンダ - PTFE(左)と反射テープ(右)。

図8
図8底エクステンダの取り付け-反射テープを。

図9
図9熱気銃圧着。

図10
図10ジャケット(左)とPTFEシール(右)とチューブを挿入する。

図11
図11のPMMAチューブにインジウムワイヤーを挿入する。

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図12 PMMAの管にバンドルを積み重ねインジウムワイヤーを挿入。

図13
図13に、上から下へ:3顎のチャックフィードユニットでリフォームをクランプし、炉内に供給し、リフォームに真空管を取り付ける。

図14
図14を予備加熱プロファイル。

図15
図15プライマリ張力プロファイル。

図16
図16 +ドロップダウンリフォームのセクションを参照してください。

リフォーム外径(mm) 送り速度(mm /分) 速度(mm / min)を描く 炉内温度(℃)
12 2.5から5 25から50 185から200
12 5月10日 15から25 185から200
12 10月15日 10月20日 185から200

表1主描画条件。

12
リフォーム外径(mm) 送り速度(mm /分) 炉内温度(℃) 張力(g)を描く
12 10 220から240 70から80
12 7.5から10 210から230 70から80
5から7.5 200から220 70から80
12 2.5から5 190から210 70から80
12 1から2.5 180から200 70から80

表2二次抽選条件。

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Discussion

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ここで紹介するテクニックは、効果的にハイパス·フィルタとして動作して、THz帯におけるプラズモン応答(ひいてはテーラード誘電率)を有する、マイクロスケール機能·サイズで連続3次元メタマテリアルのキロメートルの製造を可能にする。これは実験的にテラヘルツ時間領域分光法11を使用して特徴づけることができる。このようなファイバー状の ​​メタマテリアルはこの範囲12内の負の透磁率を有するメタマテリアル繊維と組み合わせた例負の屈折率材料のために、カットして積み重ねられたバルク材料に多数のデバイスを実現するために、または他の構造に織り込ますることができます。磁気応答性繊維はまた、ここで13を発表した技術上の変化によって大量に製造することができることに注意してください。

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Disclosures

特別な利害関係は宣言されません。

Acknowledgments

この研究は、オーストラリアの研究評議会のディスカバリープロジェクト資金調達スキーム(プロジェクト番号DP120103942)の下でサポートされていました。 BTKとAAは、オーストラリアの研究評議会の未来フェローシップ(FT0991895)及びオーストラリアの研究フェローシップ(DP1093789)の受信者です。

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).

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References

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ファイバー描画法を用いたメタマテリアルの作製
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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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