Alumine anodique

L'alumine anodique désigne une surface d'aluminium traitée par anodisation électrochimique, produisant une finition exceptionnellement durable et résistante à la corrosion, qui ne s'écaille pas et qui est trois fois plus dure que l'aluminium standard et 60% plus légère !

Cet article se penche sur les principes fondamentaux et les utilisations de l'alumine poreuse anodique, notamment en tant que modèle pour la croissance de nanofils et de nanotubes afin de produire des métamatériaux aux propriétés uniques.

Caractéristiques

L'alumine poreuse anodique (NPA), également appelée alumine anodisée nanoporeuse (NAA), est un matériau fascinant aux applications variées en raison de ses structures poreuses ordonnées et denses avec des pores d'un diamètre de l'ordre du nanomètre. Ces pores ont créé de nouvelles opportunités dans des domaines tels que la coloration structurelle et la photonique, tout en servant de modèles pour la création de matériaux tels que les nanofils ou les nanotubes pour le développement de métamatériaux aux propriétés personnalisées.

Les recherches se poursuivent sur les mécanismes exacts de formation de ces structures, avec un intérêt particulier pour l'alumine anodique. Il s'agit de réactions chimiques et électrochimiques, les premières comprenant l'injection directe d'ions d'aluminium dans une solution électrolytique, tandis que les secondes se produisent dans les fissures de la couche d'oxyde ; la composition de la solution électrolytique et le potentiel d'anodisation appliqué sont des facteurs clés en ce qui concerne la taille des fissures.

Une fois les fissures formées, les ions d'aluminium éjectés dans l'électrolyte peuvent interagir entre eux pour créer des structures poreuses auto-organisées qui dépendent du potentiel d'anodisation et du type d'électrolyte ; leur taille et leur forme dépendent de facteurs tels que le potentiel d'anodisation ainsi que de la présence ou de l'absence de couches barrières.

Comme le montre le schéma ci-dessous, lorsque des charges électriques élevées traversent un substrat anodisé, ses pores se dilatent tandis que la distance entre les pores diminue, ce qui donne lieu à des réseaux de pores hexagonaux, comme on le voit ici, bien que des réseaux similaires puissent avoir d'autres formes, telles que des structures rectangulaires ou carrées.

La morphologie des réseaux de pores dépend de leur disposition initiale en tant que puits concaves pré-modelés sur une surface d'alumine anodique et de leurs distances entre les pores. Si l'on utilise des motifs de réseau en graphite avec des distances inter-pores de 300 nm, les parois d'oxyde prennent des formes triangulaires, tandis que les motifs de réseau en nid d'abeille avec des distances inter-pores de 500 nm donnent des pores en forme de diamant ; en fin de compte, cette forme influence les propriétés de transmission et de diffusion de la lumière des surfaces d'alumine anodique.

Applications

Depuis les travaux de Masuda et Moskovits, l'alumine anodique poreuse (AAO) est devenue une plate-forme de nanofabrication attrayante pour la recherche dans de nombreux domaines. Les nanotemplates d'AAO ont été utilisés dans la production de matériaux présentant des propriétés spécifiques en matière de magnétisme, de thermoélectricité et de thermoélectricité avec des dimensions réduites ; l'AAO peut facilement être modifié pour produire diverses morphologies telles que des structures ramifiées, modulées ou des structures nanoporeuses tridimensionnelles.

Les caractéristiques morphologiques des AAO sont déterminées à la fois par la couche barrière et par le potentiel anodique. La couche barrière affecte la vitesse à laquelle l'aluminium émet ses ions dans la solution, tandis que le potentiel anodique influence la vitesse à laquelle les pores se développent - leur taille dépend du potentiel anodique appliqué, de la température, de la composition de l'électrolyte et des conditions expérimentales.

En général, plus les diamètres des pores et les distances entre les pores sont grands et rapprochés, plus l'oxyde anodique se forme rapidement. Toutefois, il faut également tenir compte du fait que leur taille peut également dépendre de facteurs tels que la chimie de surface, qui peut être contrôlée par une gravure chimique ou l'utilisation de précurseurs anodiques.

En outre, il convient de souligner que la disposition des pores n'est pas seulement déterminée par la forme d'une cavité indentée, mais qu'elle est également affectée par les dispositions initiales des cavités concaves pré-modelées sur un substrat. Par exemple, lors de l'utilisation de motifs FIB de concaves avec une distance interpore de 300 nm sur un substrat d'aluminium, des parois d'oxyde triangulaires et rectangulaires apparaissent après l'anodisation (figures 14a-14c).

À l'interface oxyde/électrolyte, les espèces d'oxalate jouent un rôle essentiel dans la formation des AAO. Lorsqu'ils sont combinés aux ions Al3+ expulsés des pores dans des conditions d'AM, ces ions oxalate réagissent avec eux pour former des molécules d'eau qui réduisent la résistance des couches barrières et facilitent la poursuite de la croissance des structures matricielles des pores. En revanche, dans les conditions HA, la formation d'alumine non poreuse entraîne une résistance plus élevée au niveau de la couche barrière en raison de la contrainte causée par l'expansion du volume à l'interface métal/oxyde.

Préparation

La production d'alumine poreuse nécessite l'anodisation de l'aluminium dans des électrolytes acides. Ce processus implique que les ions d'oxygène migrent de la solution vers les surfaces métalliques et créent une couche barrière d'oxyde isolante, en raison de sa résistance électrique élevée ; seul un faible courant peut la traverser, tout en agissant simultanément comme un effet isolant et en empêchant toute évaporation supplémentaire de la surface.

La température, la composition de l'électrolyte et le potentiel appliqué pendant l'anodisation jouent tous un rôle essentiel dans la production de pores de tailles différentes, dont les paramètres structurels sont le diamètre et la distance entre les pores. Pour créer une structure de pores plus uniforme, l'anodisation par impulsion peut être utilisée.

Selon cette technique, l'anodisation est interrompue après un certain temps et reprise à un potentiel plus élevé, ce qui permet d'augmenter le temps d'anodisation et de produire des films d'alumine plus épais et plus poreux.

L'anodisation par impulsion peut également être utilisée pour produire des pores ramifiés ou modulés en modifiant les conditions d'anodisation entre MA et HA dans des séquences spécifiques et en changeant la durée de l'impulsion, produisant ainsi des pores avec des diamètres multiples et des degrés élevés d'ordonnancement.

La modification du pH des solutions d'anodisation permet aux utilisateurs de modifier la distribution de la taille des pores. Cela est possible en augmentant ou en diminuant la concentration des espèces d'oxalate dans un électrolyte ; inversement, pour des pores plus petits, moins d'espèces doivent être présentes dans une solution d'électrolyte.

Une autre étape de la modification de la structure des pores est le processus de gravure sélective. Cette opération peut être effectuée après l'anodisation dans une solution contenant de l'acide phosphorique et permet d'obtenir une membrane d'alumine poreuse en 3D avec des pores bien ordonnés, même si des conditions d'AMM ont été utilisées pendant l'anodisation, ce qui rend cette méthode particulièrement adaptée aux applications utilisant des lampadaires à vapeur de sodium comme réservoirs de gaz.

Propriétés

L'alumine anodique poreuse a suscité beaucoup d'intérêt dans la recherche au cours des dernières décennies en raison de ses remarquables propriétés physiques, chimiques et optiques. Les structures comprenant des caractéristiques à l'échelle nanométrique de ce matériau anodique sont particulièrement impressionnantes pour la conception de dispositifs optiques tels que les cristaux photoniques ou les lasers.

La formation de morphologies complexes est déterminée par des réactions électrochimiques se produisant à la fois à l'interface métal/électrolyte et à l'interface oxyde/électrolyte, où un champ électrique généré à travers une couche barrière provoque la dissolution de l'oxyde, la libération d'ions Al3+, l'expansion du volume à l'interface métal/oxyde, la génération de contraintes dues à l'expansion du volume à cette interface et la contrainte volumétrique à l'interface métal/oxyde en fonction du potentiel d'anodisation, de la température, de la composition de l'acide et des conditions expérimentales.

L'anodisation pulsée est l'une des techniques les plus efficaces pour créer des morphologies de pores hautement contrôlées, permettant aux anodiseurs d'ajuster le diamètre des pores et la distance entre les pores en modifiant les réglages de tension ; en outre, les paramètres structurels des membranes formées peuvent être ajustés en modifiant les réglages de potentiel et de temps pour chaque anodiseur, ce qui permet d'obtenir des motifs de Morie ou des structures en escalier si on le souhaite.

L'alumine anodique offre un autre avantage pour le développement de matériaux fonctionnels : sa capacité à contrôler la chimie de surface. Par gravure chimique ou dépôt électrochimique, elle peut créer des revêtements protecteurs sur sa surface ; en outre, le traitement thermique ou le grattage nanométrique peuvent modifier sa morphologie ou créer des couches protectrices sur sa surface.

L'alumine anodique constitue une plate-forme attrayante pour la création de matériaux de dimension réduite dans les domaines du magnétisme, de la thermoélectricité et d'autres domaines, tels que les techniques optiques. En outre, sa polyvalence en fait un modèle utile pour la croissance de matériaux dotés de diverses propriétés combinées aux techniques optiques. Chez InRedox, nous produisons et fournissons des nanomodèles d'oxyde d'aluminium anodique dans différents formats et spécifications aux chercheurs qui explorent les opportunités scientifiques et technologiques basées sur ce matériau. Ces modèles peuvent être utilisés pour étudier diverses applications, notamment les guides de lumière et les cristaux photoniques.