Fabriceren Metamaterialen Met behulp van de Fiber tekenmethode

Deze procedure is bedoeld om metamaterialen op een potentieel industriële schaal tegen lage kosten te vervaardigen. Vervaardig eerst de PMMA-mantelbuis tijdens het primaire trekproces. Plaats vervolgens het indium in het gat en trek de met indium gevulde vezel met behulp van een primair trekproces.

Plaats de gestapelde, met indium gevulde preform en een knieverbinding in een oven van 90 °C. Voer een secundair trekproces uit om de gestapelde, met indium gevulde preform tot een vezel te trekken. De resulterende metamaterialen bevatten draden van 5 µm gescheiden door 50 µm, die goedkoop op potentiële industriële schaal gefabriceerd kunnen worden en een plasmonische respons vertonen in het terahertz-frequentiebereik.

Andere methoden voor het vervaardigen van metamaterialen, zoals lithografische technieken en nano- en microfabricage, zijn kostbaar en kunnen slechts monsters produceren met een afmeting van maximaal enkele centimeters. Het belangrijkste voordeel van onze techniek is dat we honderden meters metamaterialen in vezelvorm kunnen vervaardigenigen. Hierdoor kunnen we belangrijke vragen in het vakgebied beantwoorden, zoals of metamaterialen kunnen worden vervaardigd in technologisch en praktisch relevante hoeveelheden.

De specifieke methode die we hier demonstreren, levert metamaterialen op met een plasmonische respons in het terahertz-gebied. Het proces kan in principe worden geschaald naar de nanoschaal, wat metamaterialen oplevert met een respons in het zichtbare spectrum. De inspiratie voor deze methode was ons eerdere werk aan het trekken van vezels met interne elektroden voor de vervaardiging van elektro-optische modulatoren.

We hebben onlangs vastgesteld dat deze uitgebreide techniek gebruikt kan worden voor het creëren van metamaterialen. Het vervaardigen van metamaterialen door het trekken van preforms van gestapelde met indium gevulde vezels is een lastige vaardigheid om onder de knie te krijgen. We hopen dat deze visuele demonstratie zal laten zien hoe de verschillende elementen eruitzien en welke condities vereist zijn om deze complexe structuren tot op micronschaal te trekken.

Dit proces wordt gedemonstreerd door Richard Luin, een ingenieur, en Alessandro T, een promovendus uit onze onderzoeksgroep. Deze fabricagemethode van metamaterialen omvat twee trekfasen waarbij elke fase miniaturisatie inhoudt. Een macroscopisch object, een preform genoemd, wordt door middel van trekken in een oven omgezet in een filament.

Het primaire trekproces wordt gebruikt om preforms te rekken of te vormen tot een buis met een buitendiameter van meer dan één millimeter. Gebruik als richtlijn de primaire trekcondities in tabel één van de bijbehorende tekst. Om de preform op de trektoren te laden: klem de bovenste verlenger in het drieklauwenplanchoef, voer de preform de hete zone van de oven in en richt deze uit met behulp van de XY-micrometerslee.

Sluit vervolgens de bovenplaat van de oven. Verhoog de temperatuur naar 185 °C. Stel de voedingssnelheid in op vijf millimeter per minuut.

Trek met een snelheid van zes millimeter per minuut en sluit de klemmen van de trekkunit. Bewaak het verloop van de trekkracht in de tijd. Als er sleeving optreedt, is vacuüm vereist.

Bevestig een vacuümbuis aan de vacuümgesealde bovenste preform-extender met blue tack. Start de voedings- en trekunits en pas vervolgens vacuüm toe; monitor de oventemperatuur en de verhouding tussen de voedings- en treksnelheden om een constante buitendiameter en trekspanning te handhaven. De polymethylmethacrylaat-mantelbuis die gebruikt wordt om de indiumdraad van 1 mm te structureren, wordt geproduceerd door rekken en omhulzen.

Standaard PMMA-buizen in het primaire trekproces om een uiteindelijke PMMA-mantelbuis met een binnendiameter van 1 millimeter en een buitendiameter van 12 millimeter te produceren. Snijd eerst PMMA-buizen met een binnendiameter van 6 millimeter en een buitendiameter van 12 millimeter in lengtes van 600 millimeter. Bereid verschillende PMMA-buizen voor voor toekomstig gebruik tijdens het rustproces.

Plaats de PMMA-buizen in een uitgloeioven bij 90 °C gedurende minimaal vijf dagen. Nadat de buizen zijn afgekoeld tot kamertemperatuur, wordt het oppervlak van de PMMA-buis gereinigd met isopropanoldoekjes en aan de lucht gedroogd. Bevestig vervolgens de PMMA-buis aan de bovenste verlenger met reflecterende tape.

Bevestig daarnaast de PMMA-buis aan de onderste verlenger van de primaire trekoperatie. Nu trekken we de PMMA-buis in het eerder getoonde primaire trekproces van een buitendiameter van 12 millimeter naar zes millimeter. Krimp één zijde van de resulterende buis met hitte met behulp van een hettepistool en voeg deze in een nieuwe PMMA-buis in.

Om de PMMA-buisassemblage te maken, moet de onderste opening tussen de uitgerekte buis en de nieuwe PMMA-buisassemblage worden afgedicht. Bevestig met PTFE-tape het bovenste uiteinde van de PMMA-buisassemblage aan de bovenste verlengstuk door middel van een binnenlaag plakband, een middenlaag PTFE-tape en een buitenlaag reflecterende tape. Zorg ervoor dat de PTFE-tape strak zit en dat alle openingen tussen de twee PMMA-assemblages en het bovenste verlengstuk zijn afgedicht, rek uit en schuif over.

De resulterende PMMA-buisassemblage in het primaire trekproces onder vacuüm, zoals eerder getoond, wordt van een buitendiameter van 12 millimeter naar zes millimeter gebracht, wat resulteert in een verhouding tussen binnendiameter en buitendiameter van ongeveer 0,25. Herhaal dit proces totdat de uiteindelijke PMMA-omhulzingsbuis een verhouding tussen binnendiameter en buitendiameter van ongeveer 0,1 heeft met een binnendiameter van één millimeter. Het secundaire trekproces wordt gebruikt om preforms uit te rekken tot een buitendiameter kleiner dan één millimeter.

Zodra de trektemperatuur is bereikt, begint de preform uit de oven te versmallen door het gewicht van de onderste verlenger. Om de initiële trekkracht te leveren, wordt de voedingssnelheid ingesteld op 2,5 tot 5 mm/min en wordt gestart door de oventemperatuur te verhogen naar 170 °C. Verhoog vervolgens de temperatuur langzaam in stappen van 2,5 tot 5 °C tot een maximum van 220 °C.

Om de snelheid van de dropdown te beheersen, moet de vezeldiameter rond de 250 tot 500 micron gehouden worden. Om te voorkomen dat de vezel knapt, dient de vezel te worden bevestigd aan het capstanwiel dat met een lage snelheid van minder dan één meter per minuut draait. Wind de vezel rond de dancerwielen en bevestig deze aan de vezelspoel.

Gebruik de secundaire trekcondities in het bijbehorende manuscript als richtlijn om de steady-state trekcondities en de uiteindelijke vezelafmetingen te bepalen. Om de buiten diameter en de trekkracht constant te houden, dient de oventemperatuur en de verhouding tussen de toevoersnelheid en de treksnelheid te worden gemonitord. De indiumdraad van one millimeter zal nu in de PMMA-mantelbuis worden geplaatst en uitgerekt tijdens het secundaire trekproces om een met indium gevulde vezel met een diameter van one millimeter te produceren. Snijd de indiumdraad in stukken van 550 millimeter en voeg deze toe aan de PMMA-mantelbuis om de met indium gevulde preform-assemblage te creëren. Rek de gevulde preform-assemblage uit en plaats deze in de mantel tijdens het secundaire trekproces onder vacuüm om een met indium gevulde vezel te maken met een uiteindelijke buiten diameter van one millimeter, getrokken onder een spanning van 15 tot 20 gram.

Nadat het trekproces is voltooid, wordt de spoel met indiumgevulde vezels van de toren verwijderd en worden het kopvlak en de longitudinale lengte van de indiumgevulde vezels onder een lichtmicroscoop geïnspecteerd. Problematische defecten kunnen scheidingen tussen de interface van de indiumdraad en de PMMA-buis, schommelingen in de diameter of breukscheuren langs de vezellengte omvatten. Bundel meerdere indiumgevulde vezels met elastiekjes en voeg deze in de PMMA-preforme mantelbuis in, waarbij wordt gecontroleerd of de vezels recht zijn en nauw aansluiten, rek en huls. De gestapelde preform-assemblage in het secundaire trekproces met vacuüm om indium gestapelde vezels met een uiteindelijke buitendiameter van 0,6 millimeters te maken, getrokken onder een spanning van 80 grams.

Het gewenste product is een metamateriaalvezel die vijf micron-draden bevat, gescheiden door 50 micron. Dit schema van de dwarsdoorsnede van een mantel met meerdere hulsjes toont een enkele indiumdraad die is omsloten door drie opeenvolgende PMMA-mantelbuizen. De preform van één millimeter PMMA-vezel bevat een continue indiumdraad van 100 micron in diameter.

Deze microscopische afbeelding is een voorbeeld van de dwarsdoorsnede van een metamateriaalvezel met een plasmonische respons in het terahertz-bereik. De plasmonische respons manifesteert zich zodanig dat het materiaal bij lage frequenties zich gedraagt als een metaal en bij hoge frequenties als een diëlektricum, waarbij de plasmafrequenties hier de grens tussen deze twee gedragingen bepalen. Experimentele metingen karakteriseren dit vezeltype dat in drie verschillende dimensies is getrokken.

In beide gevallen is de diameterafhankelijkheid van de plasmafrequentie duidelijk zichtbaar. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe metamateriaalstructuren op een goedkope en potentieel industriële schaal kunnen worden vervaardigd. Vergeet niet om de Indian-veldvezels onder hoge spanning te trekken om te voorkomen dat het indium langs de vezellengte afbreekt.

Dit wordt bereikt door een lage temperatuur te handhaven, wat resulteert in een hoge viscositeit van het polymeer en daarmee de structuur waarin het vloeibare metaal zich bevindt, behoudt.