Tillverka Metamaterial med den metod fiberdragning

Summary

Metamaterial på terahertz frekvenser erbjuder unika möjligheter, men är utmanande att tillverka i bulk. Vi anpassar tillverkningsproceduren för mikrostrukturerade polymer optiska fibrer till billigt fabricera metamaterial potentiellt på en industriell skala. Vi producerar polymetylmetakrylat fibrer som innehåller ~ 10 nm ledningar diameter indium åtskilda av ~ 100 nm, som uppvisar en terahertz plasmoniska svar.

Abstract

Metamaterial är konstgjorda kompositmaterial, tillverkats genom montering av komponenter är mycket mindre än den våglängd där de verkar ^1. De skyldiga sina elektromagnetiska egenskaper i strukturen av deras väljare, i stället för de atomer som bildar dem. Exempelvis kan sub-våglängd metalltrådar anordnas att ha en effektiv elektrisk permittivitet som är antingen positiv eller negativ vid en given frekvens, i motsats till metallerna själva ^2. Denna oöverträffad kontroll över beteende ljus kan potentiellt leda till ett antal nya enheter, t.ex. osynlighet kappor ^3, negativa brytningsindex material ^4, och linser som löser föremål under diffraktionsgränsen ^5. Men metamaterial som arbetar vid optiska, mid-IR och terahertz frekvenser konventionellt tillverkad med hjälp av nano-och mikro-tillverkningsteknik som är dyra och ger prov som är högst ett par centimetres i storlek ^6-7. Här presenterar vi ett tillverkningsmetod för att producera hundratals meter metamaterial metalltråd i fiberform, som uppvisar en terahertz plasmoniska svar ^8. Vi kombinerar bunten-och-dra teknik som används för att framställa mikrostrukturerad polymer optisk fiber ⁹ med Taylor-tråd-processen ^10, med användning av indium ledningar inuti polymetylmetakrylat (PMMA) rör. PMMA har valts eftersom det är lätt att hantera, utdragbart dielektrikum med lämpliga optiska egenskaper i terahertz regionen, indium, eftersom det har en smälttemperatur på 156,6 ° C som är lämplig för codrawing med PMMA. Vi inkluderar ett indium tråd av 1 mm diameter och 99,99% renhet i en PMMA-rör med 1 mm innerdiameter (ID) och 12 mm ytterdiameter (OD), som är förseglad vid ena änden. Röret evakueras och dras ned till en yttre diameter av 1,2 mm. Den resulterande fibern är sedan skärs i mindre bitar, och staplas i en större PMMA-rör. Denna stapel är förseglad vid enänden och matas till en ugn medan den snabbt dras, reducera diametern hos strukturen med en faktor av 10, och ökning av längden med en faktor av 100. Sådana fibrer har funktioner på mikro-och nanonivå, är i sig flexibla, mass-producerbar, och kan vävas uppvisa elektromagnetiska egenskaper som inte finns i naturen. De representerar en lovande plattform för ett antal nya enheter från terahertz till optiska frekvenser, såsom osynliga fibrer, vävda negativa brytningsindex dukar index och super-lösa objektiv.

Protocol

Översikt Den sammansatta indium / PMMA fibrer (figur 3) framställs genom att rita en bunt PMMA fibrer inklusive en enda indium tråd (figur 2), som i sig måste vara beredd från tillgängliga PMMA rör och ledningar. De presenterade stegen är: Producera en PMMA fiber som innehåller en enda indium tråd med en diameter lämplig för manuell stapling. För detta först förbereda en PMMA-rör som kan rymma en 1 mm indium tråd (av…

Representative Results

Metamaterial fibrer framställdes med användning av tekniken beskriven. De sattes ihop från en förform av 1 mm PMMA fibrer innehållande 100 um diameter kontinuerliga indium trådar, som visas i figur 2, som i sin tur hade sig tagits från en förform av 1 mm indium trådar finns inuti en 10 mm polymer-mantel, som producerades genom yttermantel lagom stora polymer rör, såsom visas i den schematiska i fig. 1. Ett mikroskop bild av tvärsnittet av ett exempel på en metamaterial fibe…

Discussion

Tekniken som presenteras här tillåter tillverkning av kilometer kontinuerliga tredimensionella metamaterial med mikroskala funktionen storlekar, som har en plasmoniska svar (och därmed en skräddarsydd elektrisk permittivitet) i THz området, effektivt beter sig som en högpassfilter. Detta kan experimentellt karakteriseras med användning terahertz tidsdomänen spektroskopi ^11. Sådana fiber-formade metamaterial kan skäras och staplas i bulkmaterial att förverkliga ett stort antal enheter, eller vävda …

Materials

Name of Reagent/Material	Company	Catalogue 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).