Internal Friction and Young's Modulus Measurements on SiO2 and Ta2O5 Films Done with an Ultra-High Q Silicon-Wafer Suspension

• Autorzy: Granata M. , Balzarini L. , Degallaix J. , Dolique V. , Flaminio R. , Forest D. , Hofman D. , Michel C. , Pedurand R. , Pinard L. , Sassolas B. , Straniero N. , Teillon J. , Cagnoli G.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0060

Warianty tytułu

PL

Badania tarcia wewnętrznego i modułu Younga w warstwach SiO2 i Ta2O5 przeprowadzone w układzie zawierającym mocowanie próbki w postaci wafli krzemowych, które charakteryzuje się skrajnie wysoką wartością parametru Q

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In order to study the internal friction of thin films a nodal suspension system called GeNS (Gentle Nodal Suspension) has been developed. The key features of this system are: i) the possibility to use substrates easily available like silicon wafers; ii) extremely low excess losses coming from the suspension system which allows to measure Q factors in excess of 2×10⁸ on 3” diameter wafers; iii) reproducibility of measurements within few percent on mechanical losses and 0.01% on resonant frequencies; iv) absence of clamping; v) the capability to operate at cryogenic temperatures. Measurements at cryogenic temperatures on SiO₂ and at room temperature only on Ta₂O₅ films deposited on silicon are presented.

PL

Aby umożliwić prowadzenie badań tarcia wewnętrznego (Q^-1 ) w cienkich warstwach opracowano węzłowy układ zawieszenia o nazwie GeNS (Gentle Nodal Suspension). Do najważniejszych cech charakterystycznych tego układu zaliczamy: i) możliwość wykorzystania łatwo dostępnych substratów, takich jak wafle krzemowe; ii) bardzo niskie straty nadmiarowe pochodzące z samego układu zawieszenia, co umożliwia pomiar wielkości Q przekraczających wartość 2×10⁸ na waflach o średnicy 3”; iii) powtarzalność wyników pomiarów strat mechanicznych w zakresie kilku procent, a częstotliwości rezonansowej w zakresie 0,01%; iv) brak mocowań próbki; v) możliwość prowadzenia pomiarów w temperaturach kriogenicznych. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów uzyskanych w temperaturach kriogenicznych dla SiO₂ i przy temperaturze pokojowej dla warstw Ta₂O₅ osadzonych na krzemie.

Słowa kluczowe

EN

ultra low loss suspensions; Q measurements; optical dielectric coatings; silica; tantala Ta2O5; thin films

PL

niskie straty układu zawieszenia; pomiar Q; optyczne powłoki dielektryczne; krzemionka; tantal Ta2O5; cienkie warstwy

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 1
• Strony: 365--370
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Granata M.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Balzarini L.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Degallaix J.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Dolique V.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Flaminio R.

• National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), National Institutes of Natural Sciences, 2-21-1 Osawa, Mitaka, Tokyo, 181-8588, Japan

autor

Forest D.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Hofman D.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Michel C.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Pedurand R.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Pinard L.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Sassolas B.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Straniero N.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Teillon J.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

autor

Cagnoli G.

• 1 Laboratoire des Materiaux Avances (LMA), IN2P3/CNRS, Universite de Lyon, F-69622 Villeurbanne, Lyon, France

Bibliografia

• [1] T. P. Purdi, R. W. Peterson, C. A. Regal, Observation of radiation pressure shot noise on a macroscopic object, Science 339, 6121, 801-804 (2013).
• [2] M. Notcutt, L.-S. Ma, A. D. Ludlow, S. M. Foreman, J. Ye, J. L. Hall, Contribution of thermal noise to frequency stability of rigid optical cavity via Hertz-linewidth lasers, Phys. Rev. A. 73, 031804 (2006).
• [3] M. Pitkin, S. Reid, S. Rowan, J. Hough, Gravitational wave de-tection by interferometry (Ground and Space), Living Rev. Rel-ativity 14, 5, (2011). http://www.livingreviews.org/lrr-2011-5.
• [4] H. B. Callen, T. A. Welton, Irreversibility and generalized noise, Phys. Rev. 83, 1, 34-40 (1951).
• [5] P. R. Saulson, Thermal noise in mechanical experiments, Phys. Rev. D 42, 8, 2437-2445 (1990).
• [6] L. B. Magalas, Mechanical spectroscopy - Fundamentals, Sol. St. Phen. 89, 1-22 (2003).
• [7] S. Etienne, S. Elkoun, L. David, L. B. Magalas, Mechanical spectroscopy and other relaxation spectroscopies, Sol. St. Phen. 89, 31-66 (2003).
• [8] G. Losurdo, for the Virgo Collaboration, Ad-vanced Virgo Technical Design Report, available at https://tds.ego-gw.it/ql/?c=8940, 2012.
• [9] M. Granata, K. Craig, G. Cagnoli, C. Carcy, W. Cunningham, J. Degallaix, R. Flaminio, D. Forest, M. Hart, J-S. Hennig, J. Hough, I. MacLaren, I. W. Martin, C. Michel, N. Morgado, S. Otmani, L. Pinard and Sheila Rowan, Cryogenic measurements of mechanical loss of high-reflectivity coating and estimation of thermal noise, Optics Letters 38, 24, 5268-5271 (2013).
• [10] M. R. Abernathy, S. Reid, E. Chalkley, R. Bassiri, I. W. Martin, K. Evans, M. M. Fejer, A. Gretarsson, G. M. Harry, J. Hough, I. MacLaren, A. Markosyan, P. Murray, R. Nawrodt, S. Penn, R. Route, S. Rowan, P. Seidel, Cryogenic mechanical loss measure-ments of heat-treated hafnium dioxide, Class. Quantum Grav. 28, 19, 195017 (2011).
• [11] I. W. Martin, R. Bassiri, R. Nawrodt, M. M. Fejer, A. Gretarsson, E. Gustafson, G. Harry, J. Hough, I. MacLaren, S. Penn, S. Reid, R. Route, S. Rowan, C. Schwarz, P. Seidel, J. Scott, A. L. Woodcraft, Effect of heat treatment on mechanical dissipation in Ta2O5 coatings, Class. Quantum Grav. 27, 22, 225020 (2010).
• [12] M. Granata, R&D activity at LMA, presented at the GWADW 2014 in Takayama, Japan; available at http://www. gravi-ty.ircs.titech.ac.jp/GWADW2014/slide/Massimo Granata.pdf.
• [13] I. Pinto, The INFN AdCOAT Project, presented at the GWADW 2014 in Takayama, Japan; available at http://www.gravity. ircs.titech.ac.jp/GWADW2014/slide/Innocenzo Pinto.pdf.
• [14] R. Bassiri, K. Evans, K. B. Borisenko, M. M. Fejer, J. Hough, I. MacLaren, I. W. Martin, R. K. Route and S. Rowan, Correlations between the mechanical loss and atomic structure of amorphous TiO 2 -doped Ta 2 O 5 coatings, Acta Materialia 61, 1070-1077 (2013).
• [15] The ET Science Team, technical note ET-0106C-10, http://www.et-gw.eu/etdsdocument.
• [16] M. Evans, Timeline and Framework for Future Detectors, presented at the GWADW 2014 in Takayama, Japan; avail-able at http://www.gravity.ircs.titech.ac.jp/GWADW2014/slide/ Matt Evans.pdf.
• [17] T. Li, F. A. Aguilar Sandoval, M. Geitner, L. Bellon, G. Cagnoli, J. Degallaix, V. Dolique, R. Flaminio, D. Forest, M. Granata, C. Michel, N. Morgado, L. Pinard, Measurements of mechan-ical thermal noise and energy dissipation in optical dielectric coatings, Phys. Rev. D 89, 092004 (2014).
• [18] E. Cesarini, M. Lorenzini, E. Campagna, F. Martelli, F. Piergiovanni, F. Vetrano, G. Losurdo, G. Cagnoli, A “gentle” nodal suspension for measurements of the acoustic attenuation in materials, Rev. Sci. Instrum. 80, 053904 (2009).
• [19] National Instrument system of data acquisition and treatment. Information at http://www.ni.com/labview/.
• [20] L. B. Magalas, Determination of the logarithmic decrement in mechanical spectroscopy, Sol. St. Phen. 115, 7-14 (2006).
• [21] L. B. Magalas, A. Stanislawczyk, Advanced Techniques for De-termining high and extreme high damping: OMI - A new algorithm to compute the logarithmic decrement, Key Eng. Mat. 319, 231-240 (2006).
• [22] L. B. Magalas, M. Majewski, Recent advances in determination of the logarithmic decrement and the resonant frequency in low-frequency mechanical spectroscopy, Sol. St. Phen. 137, 15-20 (2008).
• [23] M. R. Abernathy, J. Hough, I. W. Martin, S. Rowan, M. Oyen, C. Linn, J. E. Faller, Investigation of the Young's modulus and thermal expansion of amorphous titania- doped tantala films, Applied Optics 53, 15, 3196-3202 (2014).
• [24] T. Lauwagie, Vibration-Based Methods for the Identification of the Elastic Properties of Layered Materials, Ph.D. thesis (2005), Catholic University of Leuven, Heverlee, Belgium.
• [25] I. W. Martin, R. Nawrodt, K. Craig, C. Schwarz, R. Bassiri, G. Harry, J. Hough, S. Penn, S. Reid, R. Robie, S. Rowan, Low temperature mechanical dissipation of an ion-beam sputtered silica film, Class. Quantum Grav. 31, 035019 (2014).
• [26] I. W. Martin, R. Bassiri, R. Nawrodt, M. M. Fejer, A. Gretarsson, E. Gustafson, G. Harry, J. Hough, I. MacLaren, S. Penn, S. Reid, R. Route, S. Rowan, C. Schwarz, P. Seidel, J. Scott, L. Woodcraft, Effect of heat treatment on mechanical dissipation in Ta2O5 coatings, Class. Quantum Grav. 27, 225020 (2010).