Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2001. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 86-103).

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) show great potential for the future electronics, optoelectronics and energy applications. But, the studies unveiling their interactions with the host substrates are sparse and limits their practical use for real device applications. We report the facile nano-scratch method to determine the adhesion energy of the wafer scale MoS2 atomic layers attached to the SiO2/Si and sapphire substrates. The practical adhesion energy of monolayer MoS2 on the SiO2/Si substrate is 7.78 J/m2. The practical adhesion energy was found to be an increasing function of the MoS2 thickness. Unlike SiO2/Si substrates, MoS2 films grown on the sapphire possess higher bonding energy, which is attributed to the defect-free growth and less number of grain boundaries, as well as less stress and strain stored at the interface owing to the similarity of Thermal Expansion Coefficient (TEC) between MoS2 films and sapphire substrate. Furthermore, we calculated the surface free energy of 2D MoS2 by the facile contact angle measurements and Neumann model fitting. A surface free energy ~85.3 mJ/m2 in few layers thick MoS2 manifests the hydrophilic nature of 2D MoS2. The high surface energy of MoS2 helps explain the good bonding strength at MoS2/substrate interface. This simple adhesion energy and surface energy measurement methodology could further apply to other TMDs for their widespread use.

Le collage direct est un procédé par lequel deux surfaces suffisamment planes et propres peuvent se coller sans ajout d'un adhésif. Le collage direct de surfaces structurées est souvent utilisé pour la fabrication de système mécanique microélectronique (MEMS), où une plaque de silicium avec des cavités est collée à une autre plaque de silicium. La fabrication de ces dispositifs est chère et il serait utile d'avoir une ligne directrice lors du dessin de structures afin de savoir à l'avance si le collage direct sera possible.Un modèle de simulation 2D pour le collage direct de deux substrats est développéet utilisé pour étudier l'influence des cavités sur la vitesse de propagation de l'ondede collage. Les prédications données par des simulations avec Comsol® sont en bonnecohérence avec les mesures expérimentales et une loi en 2 dimensions de la vitesse de collage est obtenue. Le collage de plaques parfaitement planes avec des cavités serait toujours possible. Les limitations lors du collage de vraies plaques sont dues au coût de l'énergie élastique pour déformer les plaques non parfaitement planes. Cette limite est atteinte facilement quand l'onde de collage doit traverser une tranchée, dans ce cas un dessin avec un petit guide de collage pour aider à traverser la cavité fonctionnera mieux. La taille de ce guide d'onde doit être choisis en considèrent la flèche de la plaque. En effet la seconde règle importante du dessin est de garder une surface de collage suffisante pour avoir plus d'énergie d'adhésion que le coût en énergie élastique dû à la déformation des plaques non parfaitement planes.L'énergie d'adhésion est un important paramètre du collage direct, car c'est l'énergie qui permet l'adhésion. Cette énergie d'adhésion est différente de l'énergie de collage la plus répandues qui est l'énergie requise pour séparer deux plaques précédemment collées. Dans cet ouvrage une méthode simple de mesure d'adhésion est proposée. Une mesure de l'évolution de l'énergie d'adhésion sur un temps long nous mène à proposer un mécanisme d'évolution lié à la formation de ponts capillaires entre des surfaces rugueuses. / Direct bonding is a process by which two sufficiently flat and clean surfaces can bond to each other without any added adhesive layer. Direct bonding of patterned surfaces is often used for the fabrication of Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), where a silicon wafer with cavities is bonded to a plain wafer. The fabrication of these devices is expensive and it would be useful to have guidelines when designing knew devices to know in advance if direct bonding will be possible.A 2D simulation model of the direct bonding of two substrates is developed and usedto study the influence of the cavities on the bonding wave velocity. The prediction of the simulation run with Comsol® are in good coherence with the experimental measures and a 2D law of the bonding velocity is obtained. The bonding of perfectly flat wafers with cavities should always be possible. Limitations to the bonding of real wafers are due to the elastic energy cost of deforming the non perfectly flat wafers. This limit is reached easily when the bonding wave must cross a trench, so a design with a small bonding guide to help cross the cavity will work best. The width of this wave guide should be chosen by considering the bow of the wafer. Indeed the second important design rule is to keep a bonding area big enough to have more adhesion energy than the elastic energy cost due to non flat wafers deformation.The adhesion energy is an important parameter of the direct bonding, as it is theenergy that drives the adhesion. This adhesion energy is different from the more widely known bonding energy which is the energy needed to separate two previously bonded wafers. In this work a simple method to measure the adhesion is proposed. Long time measurement of the evolution of the adhesion energy lead us to propose a mechanism for its evolution linked to the formation of capillary bridges between rough surfaces.