Ce mémoire présente les efforts effectués pour réduire l'angle de perte de couches de pentoxyde de tantale amorphes telles qu'utilisées pour les miroirs de LIGO. Afin d'améliorer le niveau de relaxation des couches, celles-ci ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron à des températures allant de 50 °C à 480 °C, elles ont subi un recuit thermique rapide, elles ont été implantées par des ions d'oxygène, elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron en appliquant une tension de polarisation sur le substrat lors du dépôt allant de 0 V à -450 V et elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance dans le cadre de différentes expériences. L'angle de perte, l'épaisseur, la rugosité, l'indice de réfraction, la composition atomique, la contrainte, l'état de relaxation et le module de Young des couches ont par la suite été trouvés à l'aide de l'ellipsométrie spectralement résolue, la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford, la détection des reculs élastiques, la spectroscopie Raman, la diffraction de rayons X et la nano-indentation. Il a été trouvé que la température de dépôt améliorait légèrement le degré de relaxation des couches jusqu'à 250 °C, mais qu'elle avait peu d'impact après recuit. Aussi, lors de dépôt à température de la pièce, une forte tension de polarisation réduit l'angle de perte, mais cet effet est encore une fois perdu suite au recuit. Les autres méthodes mentionnées ci-dessus n'ont pas influencé le degré de relaxation des couches selon l'angle de perte, la spectroscopie Raman et la diffraction de rayons X. Cette recherche a été réalisée avec le support financier du CRSNG et du FRQNT (numéro de dossier 206976). / This master's thesis presents the experiments made to reduce the loss angle of tantala coatings similar to those used in LIGO. To improve the relxation level of the coatings they were deposited by magnetron sputtering at temperatures varying from 50 °C to 480 °C. They were also subjected to rapid thermal annealing, and oxygen implantation. In another experiment, the coatings were deposited by magnetron sputtering with substrate biasing varying from 0 V to -450 V at room temperature and at 250 °C. Finally, the coatings of tantala were deposited by high power impulse magnetron sputtering. The loss angle, thickness, roughness, refractive index, atomic composition, stress, the relaxation state and Young's modulus of the coatings were characterized using spectroscopic ellipsometry, Rutherford backscattering, elastic recoil detection, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and nanoindentation. It was found that the deposition temperature improved the loss angle until it reached 250 °C. However, annealing the coatings had a superior impact and the influence of the deposition temperature was not visible after annealing. When was applied a high bias to the susbtrate at room temperature, the obtained coating was slightly more relaxed than when a low bias was applied but this effect is, once again, insignificant after annealing. The other methods of deposition mentioned did not improve the loss angle or modify the relaxation state found by Raman spectroscopy and X-ray diffraction of the tantala coatings. This research was made with the financial support of the NSERC and of the FRQNT (file number 206976).

En 2015, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a observé pour la première fois des ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux trous noirs. Cette observation résulte de 40 ans d’efforts afin de réduire au minimum les sources de bruit qui affectent l’interféromètre. À ce jour, la sensibilité de LIGO, dans son domaine de fréquence le plus sensible, est limitée par la granularité de la lumière d’une part et, d’autre part, par un phénomène de fluctuations thermiques résultat de la dissipation mécanique dans les couches minces qui constituent ses miroirs, en particulier dans le matériau ayant un haut indice de réfraction : l’oxyde de tantale. Une amélioration de la sensibilité permettrait d’observer davantage d’événement, d’autres phénomènes gravitationnels, ainsi que des détails importants permettant de mieux les comprendre. Ce mémoire présente les résultats de nos recherches afin de diminuer le bruit causé par la dissipation mécanique interne dans les couches à haut indice de réfraction. Pour ce faire, des couches d’oxyde de tantale ont été dopées soit au zirconium ou à la fois au zirconium et au titane, par co-dépôt. Des couches avec différentes quantités de dopant ont été synthétisées par pulvérisation cathodique magnétron sur des substrats de silice semblables à ceux de LIGO. Par la suite, la dissipation mécanique, l’épaisseur, la rugosité, la composition, la densité surfacique, et la microstructure ont été caractérisées par suspension nodale, ellipsométrie résolue spectralement, spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford et la spectroscopie Raman. Il appert que le zirconium permet d’augmenter la température de recuit avant la cristallisation, ce qui permet de diminuer plus amplement la dissipation mécanique interne, mais ne change pas la dissipation à une température de recuit donnée. Il a aussi été déterminé que la concentration de titane permettait de diminuer l’angle de perte, peu importe la concentration de zirconium. Une combinaison des deux dopages et un recuit à haute température permet ainsi de recuire par un facteur d’environ 1.5 la dissipation mécanique interne. La différence de coefficient d’expansion thermique durant les recuits à haute température induit cependant des problèmes de craquement des couches, partiellement résolus par l’application d’une couche de recouvrement en silice. / In 2015, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) observed for the first time gravitational waves generated by the merger of two black holes. This observation was the resut of 40 years of efforts to minimize the noise source which affect the the interferometer. To this date, the sensitivity of LIGO, in its most sensitive frequency domain, is limited by the granularity of the light on one hand, on the other, by a phenomenon of thermal fluctuations resulting from the mechanical dissipation in the thin film of the miroir, in particular in the high refractive index material: tantala. An improvement of the sensitivity would allow the measurement of more events, other gravitational phenomena and some details that would result in a better understanding. This master’s thesis presents results of our research to reduce the noise caused by internal mechanical dissipation in high refractive index layers. To do so, tantala layers were doped with either zirconium and titanium by co-deposition. Layers with different amounts of dopant were synthesized by magnetron sputtering on fused silica substrate similar to those of LIGO. Subsequently, mechanical dissipation, thickness, roughness, composition, areal density and microstructure were characterized by gentle nodal suspension, spectrally resolved ellipsometry, Rutherford backscattering spectroscopy, and Raman spectroscopy. It appears that zirconium allows the annealing temperature to be increased before crystallization which further decreases internal mechanical dissipation, but does not change dissipation at a given annealing temperature. It was also determined that the concentration of titanium reduced the loss angle regardless of the zirconium concentration. A combination of the two dopant and high annealing temperatures thus enables the internal mechanical dissipation to be lower by a factor of 1.5.The difference in thermal expansion coefficient during high temperature annealing, however, induces layer cracking problems, partially resolved by the application of a silica cap.

La sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est limité par les fluctuations thermiques dues à la dissipation mécanique dans les couches de Ta2O5 amorphe, qui est une composante des miroirs des interféromètres. Le paramètre d’angle de perte ( ) permet de quantifié l’ampleur de la dissipation et est obtenu en étudiant l’absorption d’énergie mécanique par la couche de matériau. Ce paramètre est généralement caractérisé expérimentalement à des fréquences d’excitations allant de 1-30 KHz près de celle qui nous intéresse pour la détection d’onde gravitationnelle (10-100 Hz) et par des simulations de dynamique moléculaire pour des fréquences très élevées (GHz). Notre recherche vise à caractériser l’angle de perte pour ce matériau pour des fréquences intermédiaires, soit dans la gamme des MHz. Afin d’obtenir une meilleure précision sur les résultats, on utilise les ondes acoustiques de surface qui donne un plus grand poids à la couche mince lors du calcul de l’angle de perte. Deux méthodes sont utilisées pour tenter d’obtenir l’angle de perte des couches ( c) de Ta2O5 de 1 μm déposées sur des substrats, d’une part, composé de SiO2 B270 d’épaisseur 2 mm, et d’autre part, de LiNbO3 d’épaisseur 1 mm. La première se fait à l’aide d’un transmetteur piézoélectrique amovible qui génère les ondes de surface et d’un vibromètre laser qui détecte l’amplitude des vibrations à différentes positions sur l’échantillon. Malgré un précision limitée, il est possible d’obtenir l’angle de perte des couches minces à une fréquence d’excitation de 9.08 MHz. Les résultats les plus fiables de c sont dans l’intervalle 2−7×10−2 avec des incertitudes de 1−3×10−2, ce qui représente de 15 à 50% des valeurs selon le cas. On obtient donc des résultats plus élevés que ce qui est attendu pour cette gamme de fréquence, même avec une précision limitée, ce qui nous porte à penser que certains mécanismes peuvent affecter l’angle de perte à plus hautes fréquences. Pour la deuxième méthode, on place directement sur l’échantillon des transmetteurs interdigitaux qui servent à la fois d’émetteur et de récepteur et une cavité résonante qui permet de contenir les ondes d’une certaine longueur d’onde sur l’échantillon. Les fréquences d’excitations des ondes de surface générés sont de 19.89 MHz et 33.15 MHz. Nos échantillons ne nous permettent pas de calculer c, mais la technique de mesure nous permet d’avoir une précision au moins plus élevée que la première méthode soit 1 × 10−2 pour un échantillon et 4 × 10−3 pour l’autre. On peut facilement améliorer la méthode, notamment en augmentant la réflectivité de la cavité résonante, ce qui permettrait d’obtenir des résultats précis avec des échantillons qui comprennent la couche mince. / Limitations to the sensitivity of LIGO’s (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) gravitational wave detectors is due to thermal fluctation induced by mechanical dissipation in the amorphous Ta2O5 thin films composing the interferometer’s mirrors. The loss angle parameter ( ) describes the magnitude of the dissipation that occurs in the material and is obtained by studying the mechanical energy absorption of the thin film. This parameter is usually measured for a range of frequencies going from 1 to 30 KHz, which is near the expected frequencies for gravitational wave detection (10-100 Hz). Molecular dynamics simulations also calculate the loss angle for very high frequencies (GHz). Our research aim to caracterise the loss angle of Ta2O5 thin films in the MHz mid-range frequencies. We use surface acoustic waves for the thin film to have a greater weight in the caculation of the loss angle to help us get a higher precision. Two methods are used to obtain the loss angle of the film ( c) of Ta2O5 (1 μm thick) which, for the first method, is deposited on a 2 mm thick SiO2 B270 substrates, and, for the second method, on a 1mm thick LiNbO3 substrates. The first one uses a movable piezoelectric transducer that generates the surface waves and a laser vibrometer to mesure the amplitude of the vibration along the sample. Though the precision is not very good, we were able to calculate the loss angle of thin films for a surface wave frequency of 9.08 MHz. The best results for c are within the range of 2 − 7 × 10−2 with uncertainties ranging from 1−3×10−2, which represent 15 to 50% of values by case. We get higher loss angles than what was expected for this frequency range, even with a low precision, so we suspect that some loss mechanisms might affect the loss angle at higher frequency. The second method uses a resonator that is place directly on the samples with interdigital transducers that generate the surface waves and acoustical mirrors that form the resonator (acoustical cavity). Wave are excited at two different frequencies, 19.89 MHz and 33.15 MHz, and are contained in the resonator to study their propagation on the sample. Althouth we do not have c results for coated sample, we were able to evaluate the precision of such measuments and we have uncertainties of 1 × 10−2 for a sample and 4 × 10−3 for the other. The samples used with this method could easily be improve, by increasing the reflecitvity of the resonator mirrors, to obtain a higher precision and get better results for sample coated with a thin film.