蒸發(fā)溶液法制備磁頭表面自組裝膜

胡曉莉

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

蒸發(fā)溶液法制備磁頭表面自組裝膜

胡曉莉

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

采用蒸發(fā)溶液法（VPM）在磁頭表面制備了1H，1H，2H，2H－全氟癸烷基三氯硅烷（FDTS）自組裝膜（SAM）。使用時(shí)間飛行二次離子質(zhì)譜儀（TOF－SIMS）、接觸角測(cè)量?jī)x和原子力顯微鏡（AFM）對(duì)FDTS自組裝膜進(jìn)行表征，并采用磁頭啟停（CSS）實(shí)驗(yàn)對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用VPM制備的FDTS自組裝膜能夠極大地降低讀寫過(guò)程中磁頭的摩擦磨損，黏著力保持小于19.6mN。經(jīng)過(guò)20 000次啟停循環(huán)后，磁頭表面依然能保持清潔，摩擦力在正常工作范圍內(nèi)。

1H，1H，2H，2H－全氟癸烷基三氯硅烷；磁頭；自組裝膜；蒸發(fā)溶液法

近年來(lái)，硬盤隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，其容量從第1塊的每平方英寸2KB，到如今的每平方英寸136GB，在50年內(nèi)猛增了680 000倍。這個(gè)增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了半導(dǎo)體行業(yè)提出的摩爾定律［1］。硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面密度的爆炸性增長(zhǎng)，記錄的磁信號(hào)線寬也已達(dá)納米尺度，這就要求磁頭飛行高度降低至10nm以下才能實(shí)現(xiàn)讀寫［2－5］。磁頭表面鍍有的類金剛石（Diamond Like Carbon，DLC）薄膜厚度隨著飛行高度降低而減少，其薄膜上的針孔缺陷不可避免地越來(lái)越多，對(duì)磁頭防摩擦磨損和污染的作用隨之減弱。有機(jī)氯硅烷和有機(jī)烷氧基硅烷廣泛應(yīng)用于許多氧化表面，可改變其表面性質(zhì)［6－11］。在DLC薄膜表面制備含氟氯硅烷分子膜有助于進(jìn)一步降低磁頭表面能，增強(qiáng)磁頭抗外界污染吸附能力［12－13］。通常采用在稀溶液中制備氯硅烷自組裝膜（Self－Assembled Monolayer，SAM），對(duì)溶液的濃度和實(shí)驗(yàn)條件要求較高；因此，本文采用蒸發(fā)溶液法（Vapor Phase Method，VPM）直接蒸發(fā)試劑，可簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件，加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)用試劑有1H，1H，2H，2H－全氟癸烷基三氯硅烷（1H，1H，2H，2H－perfluorodecanetrichorosilanes，F(xiàn)DTS）、電子級(jí)N－甲基吡咯烷酮和電子級(jí)異丙醇，以磁頭為制備自組裝膜基體。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件和制備過(guò)程

清洗后的樣品（磁頭）放入自制真空箱內(nèi)，關(guān)閉反應(yīng)箱門，隨后開(kāi)始抽真空，清潔反應(yīng)箱內(nèi)空氣。具體操作步驟：① 抽真空1min到1 333.2Pa，再通氮?dú)?min到0.1MPa，反復(fù)循環(huán)3次后抽真空2min到133.3Pa；② 加熱反應(yīng)試劑成蒸汽通入反應(yīng)箱，并保持反應(yīng)箱的溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間通過(guò)修改控制程序?qū)崿F(xiàn)；③ 制備完成后，抽真空1min到1 333.2Pa，通氮?dú)?min到0.1MPa，最后2min時(shí)間恢復(fù)常壓，即可打開(kāi)反應(yīng)箱門取出實(shí)驗(yàn)磁頭；④實(shí)驗(yàn)磁頭用異辛烷溶劑超聲清洗和標(biāo)準(zhǔn)清洗程序相接結(jié)合清洗1次，經(jīng)氮?dú)獯蹈桑湃霟o(wú)塵炬爐內(nèi)，在120℃溫度下干燥30min。

1.3 測(cè)試儀器

自組裝膜膜厚測(cè)量使用時(shí)間飛行二次離子質(zhì)譜議（TOF－SIMS），轟擊源Ga＋脈沖離子束能量為15keV，抽出電流為2μA，離子束電流為600pA，脈沖寬度為17.5ns，脈沖頻率為10kHz，離子束掃描范圍為100μm×100μm，掃描時(shí)間為2min。

自組裝膜的表面形貌和粗糙度測(cè)量使用Digital公司的 DID－3000原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）。V形懸臂探針材料為Si3N4，以敲擊模式獲取表面信息，這種非接觸式模式可降低針尖與表面的黏附力，減少針尖變形和損害，從而盡可能避免圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的假象。其橫向分辨率為10nm，縱向分辨率為0.1nm，最大掃描范圍為90μm。對(duì)同一樣品測(cè)試時(shí)至少取3點(diǎn)進(jìn)行掃描。

自組裝膜靜態(tài)測(cè)量水的接觸角時(shí)使用VCA2500XE可視接觸角測(cè)量?jī)x，所用離子水測(cè)量液滴容積為0.5μL，精度為0.1°，最終結(jié)果取同一樣品上3～4個(gè)點(diǎn)測(cè)量值的平均值。

1.4 性能測(cè)試方式

使用Olympus磁頭磁盤界面可靠性測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試磁頭啟停（Contact Start Stop，CSS）過(guò)程中自組裝膜的摩擦學(xué)性能。CSS實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：載荷為23.91mN，飛行高度為8nm，磁盤轉(zhuǎn)速為7.2kr／min。每個(gè)啟停循環(huán)包括加速5s，保持速度1s，減速5s，停留在磁盤表面1s。每5 000次啟停循環(huán)時(shí)，停留時(shí)間延長(zhǎng)至2h，完成20 000次啟停循環(huán)后，停留時(shí)間再延長(zhǎng)至24h。

2 結(jié)果與討論

2.1 FDTS自組裝膜表征

采用VPM在磁頭表面制備FDTS自組裝膜，其膜厚及接觸角與反應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系如圖1所示。膜厚隨反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)迅速增加，在2h時(shí)達(dá)到飽和。反應(yīng)發(fā)生10min時(shí)，接觸角就達(dá)到100.2°，其后隨反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)而增加緩慢，在2h時(shí)達(dá)到飽和。FDTS自組裝膜膜厚和接觸角達(dá)到飽和值分別為1.4nm和109.6°。

圖1 FDTS自組裝膜的膜厚及接觸角與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Thickness and water contact angle as a function of reaction time for a FDTS SAM on the magnetic head surface

磁頭表面FDTS自組裝膜在不同反應(yīng)時(shí)間的AFM表面形貌變化如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始10min后，磁頭表面就開(kāi)始形成許多簇狀FDTS亞單層膜，高度約為0.62nm。反應(yīng)時(shí)間在10min～1.5h內(nèi)，簇的數(shù)量不斷增加，簇密集的區(qū)域發(fā)生團(tuán)聚如圖2（b）和（c）所示。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)，簇狀亞單層膜聚結(jié)形成FDTS單層自組裝膜，膜缺陷減少，粗糙度降低至0.127nm，如圖2（d）所示。反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)測(cè)得的膜厚為1.38nm，接觸角為109.57°。

圖2 磁頭表面FDTS自組裝膜在不同反應(yīng)時(shí)間的AFM表面形貌變化Fig.2 AFM morphologies variation of FDTS SAM on the magnetic head surface at different immersing time

與溶液法制備自組裝分子膜比較，VPM通過(guò)高溫真空最大限度降低反應(yīng)環(huán)境中的水分對(duì)FDTS分子水解反應(yīng)的影響，避免FDTS分子在與基體表面發(fā)生縮和反應(yīng)之前發(fā)生水解。這種情況下，只有基體表面的一層FDTS分子遇到表面痕量水發(fā)生水解，而后最大機(jī)率地直接與基體表面羥基發(fā)生縮和反應(yīng)，保證在基體表面形成單層自組裝膜。從圖2表面形貌的分析可知，F(xiàn)DTS自組裝膜的生長(zhǎng)有4個(gè)階段。但由于水分控制的影響，亞單層膜是FDTS分子遇表面痕量水水解后，直接與磁頭表面羥基縮和形成呈簇狀，是通過(guò)簇?cái)?shù)量增加而進(jìn)行生長(zhǎng)的。這說(shuō)明反應(yīng)環(huán)境中水分含量是影響亞單層膜形狀和生長(zhǎng)方式的重要因素。由于表面痕量水在一定程度上限制了可發(fā)生水解的FDTS分子數(shù)，在避免水解FDTS分子發(fā)生自聚的同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)由于水解FDTS分子不夠引起的缺陷。

2.2 FDTS自組裝膜性能測(cè)試

磁頭的摩擦學(xué)性能直接影響磁頭的讀寫性能和壽命，通過(guò)CSS測(cè)試考察制備FDTS自組裝膜后磁頭的摩擦學(xué)性能變化，以及長(zhǎng)時(shí)間工作后磁頭表面的清潔度。本文采用反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)制備的樣品進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試。因?yàn)樵摲磻?yīng)時(shí)間制備的FDTS自組裝膜具有表面能低、表面粗糙度小的特點(diǎn)。

磁頭的黏著力在整個(gè)CSS測(cè)試中都遠(yuǎn)低于19.6mN，并保持黏著力穩(wěn)定，如圖3所示。這表明當(dāng)FDTS分子形成表面粗糙度小、接觸角大的單層自組裝膜時(shí)，能夠通過(guò)降低磁頭表面能，減少外界污染物對(duì)磁頭表面的吸附作用，進(jìn)而有效地降低磁頭的黏著力。測(cè)試最后顯示黏著力略微增大到21.6mN，是由于FDTS單層膜磨損引起。

圖3 磁頭CSS 20 000次起停循環(huán)測(cè)試過(guò)程中的黏著力變化Fig.3 Adhesion profiles of magnetic head with FDTS SAM in a 20 000cycle CSS test

磁頭表面制備FDTS自組裝膜的抗磨損性能可以通過(guò)CSS啟停循環(huán)測(cè)試的摩擦力結(jié)果進(jìn)行比較分析，如圖4所示。磁頭的CSS測(cè)試第1次啟停循環(huán)的摩擦力為11.24mN，遠(yuǎn)小于工作時(shí)最低摩擦力19.6mN要求。這表明，磁頭表面FDTS自組裝膜的長(zhǎng)碳氟鏈和較小的表面粗糙度對(duì)減小磁頭摩擦力起到很大作用。因?yàn)槎替湻肿拥娜嵝源螅ǚ肿拥娜嵝耘c組成膜的分子種類、鏈長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)和堆積密度有關(guān)）、易變形，使得接觸面積增大，黏著力升高，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的摩擦力［14］。當(dāng)鏈長(zhǎng)增加后，吸附的有序分子間相互作用形成“泊位能”，從而封閉了振動(dòng)和能量的耗散渠道，使摩擦力降低［15］。磁頭經(jīng)過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)壽命循環(huán)20 000次測(cè)試以后，第20 001次啟停循環(huán)的摩擦力為26.77mN，如圖4（b）。雖然較第1次循環(huán)的摩擦力值增大，但其值還在磁頭摩擦力允許的19.6～39.2mN范圍之內(nèi)。可見(jiàn)，F(xiàn)DTS自組裝膜可以有效增強(qiáng)鍍有2nm類金剛石薄膜磁頭的摩擦磨損性能，即使經(jīng)過(guò)壽命循環(huán)后薄膜表面產(chǎn)生破損，依然能起到減小摩擦的作用，從而延長(zhǎng)其壽命。

如圖5所示，磁頭的第1次和第20 001次啟停循環(huán)的聲信號(hào)都正常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粗糙度低、接觸角大的FDTS自組裝膜能降低磁頭表面能，減少外來(lái)污染，可以使磁頭表面在20 000次啟停循環(huán)中保持高清潔度，避免磁頭產(chǎn)生干擾信號(hào)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文成功采用VPM在磁頭表面制備了FDTS自組裝膜。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)，可得到膜厚為1.38nm、接觸角為109.57°的FDTS單層自組裝膜，該膜表面光滑平整，粗糙度為0.127nm，缺陷少。在磁頭讀寫20 000次啟停循環(huán)過(guò)程中，制備了FDTS單層自組裝膜的磁頭，它可以保持黏著力小于19.6mN，能保持表面清潔，摩擦力在工作要求范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：FDTS單層自組裝膜能夠極大地增強(qiáng)磁頭的摩擦學(xué)性能，起到有效保護(hù)作用。

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Self－Assembled Monolayer on Magnetic Head Surface by Vapor Phase Method

HU Xiaoli
（School of Mechanical，Shanghai Dianji University，Shanghai 200245，China）

A self－assembled monolayer（SAM）of 1H，1H，2H，2H－perfluorodecanetrichorosilanes（FDTS）has been prepared on the magnetic head with a vapor phase method（VPM）.Time－of－flight secondary ion mass spectrometer（TOF－SIMS），atomic force microscopy（AFM），and contact angle measurement were used to characterize the FDTS SAM，and tribological properties of magnetic head with FDTS SAM were evaluated in a contact start stop（CSS）test.The experimental results show that FDTS SAM fabricated with the VPM can greatly reduce friction and wear of magnetic head during read－write process.Adhesion of the magnetic head maintained less than 19.6mN in the CSS test.Magnetic head surface kept clean and the friction value of magnetic head was in the working range after magnetic head experienced 20 000cycles CSS test.

1H，1H，2H，2H－perfluorodecanetrichorosilanes（FDTS）；magnetic head；self－as sembled monolayer（SAM）；vapor phase method（VPM）

胡曉莉（1976－），女，副教授，博士，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與理論，E－mail：huxl＠sdju.edu.cn

TH 7

A

2095－0020（2011）05－0281－05

2011－08－29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51072113）；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科資助（J51902）