Élaboration innovante et anodisation locale de microélectrodes en aluminium

Innovative fabrication and local anodizing of aluminum microelectrodes

• Auteur / Autrice : Ludovic Cicutto
• Direction : Laurent Arurault, Jérôme Roche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anodisation

Aluminium

Microélectrodes

Mots clés libres

Anodisation locale

Nanopores

Microélectrode

Aluminium

Local anodizing

Nanopores

Microelectrodes

Aluminum

Résumé

L'anodisation de l'aluminium est un traitement de surface connu et étudié depuis près d'un siècle. Toutefois, de façon surprenante, très peu de travaux ont concerné l'anodisation locale de l'aluminium, c'est-à-dire sur des surfaces inférieures au mm². Le premier but de ce travail a consisté à fabriquer des microélectrodes unitaires en aluminium, ce qui n'avait jamais été réalisé auparavant. Des essais ont été réalisés selon trois approches d'élaboration, à savoir la fusion du métal, l'étirage simultané et l'enrobage du fil conducteur. Au final, un protocole expérimental maîtrisé, répétable et innovant permet à présent la fabrication de microélectrodes d'aluminium 1050 de type disque-plan dont la surface active constitue un disque de 125 µm de diamètre, et le Rg, c'est-à-dire le rapport entre le diamètre total de l'électrode et le diamètre du métal, variant entre 2,5 et 9,5. Le deuxième objectif résidait dans l'anodisation de ces microélectrodes d'aluminium, en étudiant dans ce cas l'influence de différents paramètres opératoires clés (tension, composition de l'électrolyte et sa température) sur les caractéristiques des films anodiques. Les résultats ont d'une part confirmée des évolutions "classiques" de la porosité ou du diamètre des pores, mais ont d'autre part révélé des vitesses de croissance atypiques, associées spécifiquement à l'échelle microscopique. Le troisième et dernier challenge visait à tester la faisabilité d'élaborer un réseau de nanoélectrodes métalliques à l'intérieur des pores des films anodiques élaborés précédemment à l'extrémité des microélectrodes. Dans cette optique, différentes expérimentations ont été menées afin de réduire la couche barrière et limiter la réduction de l'eau, en vue d'électrodéposer du nickel métal dans la porosité. Au final, les présents travaux constituent l'initiation d'une voie d'élaboration prometteuse vers une nouvelle génération potentielle de capteurs tirant parti des propriétés d'un réseau d'ultramicroélectrodes ayant chacune la dimension d'un pore unitaire, soit un diamètre de 100 nm.

Aluminum anodizing is a surface treatment that has been known and studied for nearly a century. However, in a surprising manner, very few works have been published about the local anodizing of aluminum, meaning on surfaces lower than a mm². The primary goal of this work consisted in fabricating unitary aluminum microelectrodes, which has never been reported. Tests have been carried out using three different approaches, that is using melted aluminum, the simultaneous pulling of a glass capillary, and the coating of a conducting wire. Ultimately, a controlled experimental procedure, repeatable and innovative, now allows the manufacturing of disk-shaped aluminum 1050 microelectrodes, the active surface of which is a 125 µm diameter disk and the Rg, which is the electrode total diameter on the metal diameter ratio, varying between 2,5 and 9,5. The second objective lied in the anodizing of these aluminum microelectrodes, while studying in this case the role of different key operating parameters (voltage, nature of the electrolyte and its temperature) on the anodic film characteristics. The results have, for one part, confirmed the "standard" evolution of the porosity and the pores diameter, but for the other part have also revealed extraordinary growth speed of the anodic film, which has specifically been associated with the microscopic scale. The third and last challenge was to test the possibility of elaborating a metal nanoelectrode array inside the pores of the anodic films previously achieved at the tip of the microelectrodes. In this context, various experiments have been carried out to thin the barrier layer and restrict the reduction of water with the idea of electrodepositing metallic nickel in the porous film. Finally, the present work represents the first step to a promising way of elaborating a potential new generation of sensors using the properties of an ultramicroelectrodes array, every single one of which having the dimension of a single pore, with a diameter of 100 nm.