蒸发溶液法制备磁头表面自组装膜

胡晓莉

（上海电机学院 机械学院，上海 200245）

蒸发溶液法制备磁头表面自组装膜

胡晓莉

（上海电机学院 机械学院，上海 200245）

采用蒸发溶液法（VPM）在磁头表面制备了1H，1H，2H，2H－全氟癸烷基三氯硅烷（FDTS）自组装膜（SAM）。使用时间飞行二次离子质谱仪（TOF－SIMS）、接触角测量仪和原子力显微镜（AFM）对FDTS自组装膜进行表征，并采用磁头启停（CSS）实验对其摩擦学性能进行了测试。实验结果表明，采用VPM制备的FDTS自组装膜能够极大地降低读写过程中磁头的摩擦磨损，黏着力保持小于19.6mN。经过20 000次启停循环后，磁头表面依然能保持清洁，摩擦力在正常工作范围内。

1H，1H，2H，2H－全氟癸烷基三氯硅烷；磁头；自组装膜；蒸发溶液法

近年来，硬盘随着计算机的飞速发展，其容量从第1块的每平方英寸2KB，到如今的每平方英寸136GB，在50年内猛增了680 000倍。这个增长速度远远超过了半导体行业提出的摩尔定律［1］。硬盘数据存储面密度的爆炸性增长，记录的磁信号线宽也已达纳米尺度，这就要求磁头飞行高度降低至10nm以下才能实现读写［2－5］。磁头表面镀有的类金刚石（Diamond Like Carbon，DLC）薄膜厚度随着飞行高度降低而减少，其薄膜上的针孔缺陷不可避免地越来越多，对磁头防摩擦磨损和污染的作用随之减弱。有机氯硅烷和有机烷氧基硅烷广泛应用于许多氧化表面，可改变其表面性质［6－11］。在DLC薄膜表面制备含氟氯硅烷分子膜有助于进一步降低磁头表面能，增强磁头抗外界污染吸附能力［12－13］。通常采用在稀溶液中制备氯硅烷自组装膜（Self－Assembled Monolayer，SAM），对溶液的浓度和实验条件要求较高；因此，本文采用蒸发溶液法（Vapor Phase Method，VPM）直接蒸发试剂，可简化实验条件，加快实验进度，有利于实现产业化。

1 实 验

1.1 实验试剂

实验用试剂有1H，1H，2H，2H－全氟癸烷基三氯硅烷（1H，1H，2H，2H－perfluorodecanetrichorosilanes，FDTS）、电子级N－甲基吡咯烷酮和电子级异丙醇，以磁头为制备自组装膜基体。

1.2 实验条件和制备过程

清洗后的样品（磁头）放入自制真空箱内，关闭反应箱门，随后开始抽真空，清洁反应箱内空气。具体操作步骤：① 抽真空1min到1 333.2Pa，再通氮气2min到0.1MPa，反复循环3次后抽真空2min到133.3Pa；② 加热反应试剂成蒸汽通入反应箱，并保持反应箱的温度为120℃，反应时间通过修改控制程序实现；③ 制备完成后，抽真空1min到1 333.2Pa，通氮气2min到0.1MPa，最后2min时间恢复常压，即可打开反应箱门取出实验磁头；④实验磁头用异辛烷溶剂超声清洗和标准清洗程序相接结合清洗1次，经氮气吹干，放入无尘炬炉内，在120℃温度下干燥30min。

1.3 测试仪器

自组装膜膜厚测量使用时间飞行二次离子质谱议（TOF－SIMS），轰击源Ga＋脉冲离子束能量为15keV，抽出电流为2μA，离子束电流为600pA，脉冲宽度为17.5ns，脉冲频率为10kHz，离子束扫描范围为100μm×100μm，扫描时间为2min。

自组装膜的表面形貌和粗糙度测量使用Digital公司的 DID－3000原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）。V形悬臂探针材料为Si3N4，以敲击模式获取表面信息，这种非接触式模式可降低针尖与表面的黏附力，减少针尖变形和损害，从而尽可能避免图像数据产生的假象。其横向分辨率为10nm，纵向分辨率为0.1nm，最大扫描范围为90μm。对同一样品测试时至少取3点进行扫描。

自组装膜静态测量水的接触角时使用VCA2500XE可视接触角测量仪，所用离子水测量液滴容积为0.5μL，精度为0.1°，最终结果取同一样品上3～4个点测量值的平均值。

1.4 性能测试方式

使用Olympus磁头磁盘界面可靠性测试系统测试磁头启停（Contact Start Stop，CSS）过程中自组装膜的摩擦学性能。CSS实验参数如下：载荷为23.91mN，飞行高度为8nm，磁盘转速为7.2kr／min。每个启停循环包括加速5s，保持速度1s，减速5s，停留在磁盘表面1s。每5 000次启停循环时，停留时间延长至2h，完成20 000次启停循环后，停留时间再延长至24h。

2 结果与讨论

2.1 FDTS自组装膜表征

采用VPM在磁头表面制备FDTS自组装膜，其膜厚及接触角与反应时间之间的关系如图1所示。膜厚随反应时间增长迅速增加，在2h时达到饱和。反应发生10min时，接触角就达到100.2°，其后随反应时间增长而增加缓慢，在2h时达到饱和。FDTS自组装膜膜厚和接触角达到饱和值分别为1.4nm和109.6°。

图1 FDTS自组装膜的膜厚及接触角与反应时间的关系Fig.1 Thickness and water contact angle as a function of reaction time for a FDTS SAM on the magnetic head surface

磁头表面FDTS自组装膜在不同反应时间的AFM表面形貌变化如图2所示。在实验开始10min后，磁头表面就开始形成许多簇状FDTS亚单层膜，高度约为0.62nm。反应时间在10min～1.5h内，簇的数量不断增加，簇密集的区域发生团聚如图2（b）和（c）所示。当反应时间为2h时，簇状亚单层膜聚结形成FDTS单层自组装膜，膜缺陷减少，粗糙度降低至0.127nm，如图2（d）所示。反应时间为2h时测得的膜厚为1.38nm，接触角为109.57°。

图2 磁头表面FDTS自组装膜在不同反应时间的AFM表面形貌变化Fig.2 AFM morphologies variation of FDTS SAM on the magnetic head surface at different immersing time

与溶液法制备自组装分子膜比较，VPM通过高温真空最大限度降低反应环境中的水分对FDTS分子水解反应的影响，避免FDTS分子在与基体表面发生缩和反应之前发生水解。这种情况下，只有基体表面的一层FDTS分子遇到表面痕量水发生水解，而后最大机率地直接与基体表面羟基发生缩和反应，保证在基体表面形成单层自组装膜。从图2表面形貌的分析可知，FDTS自组装膜的生长有4个阶段。但由于水分控制的影响，亚单层膜是FDTS分子遇表面痕量水水解后，直接与磁头表面羟基缩和形成呈簇状，是通过簇数量增加而进行生长的。这说明反应环境中水分含量是影响亚单层膜形状和生长方式的重要因素。由于表面痕量水在一定程度上限制了可发生水解的FDTS分子数，在避免水解FDTS分子发生自聚的同时，也会出现由于水解FDTS分子不够引起的缺陷。

2.2 FDTS自组装膜性能测试

磁头的摩擦学性能直接影响磁头的读写性能和寿命，通过CSS测试考察制备FDTS自组装膜后磁头的摩擦学性能变化，以及长时间工作后磁头表面的清洁度。本文采用反应时间为2h时制备的样品进行摩擦学性能测试。因为该反应时间制备的FDTS自组装膜具有表面能低、表面粗糙度小的特点。

磁头的黏着力在整个CSS测试中都远低于19.6mN，并保持黏着力稳定，如图3所示。这表明当FDTS分子形成表面粗糙度小、接触角大的单层自组装膜时，能够通过降低磁头表面能，减少外界污染物对磁头表面的吸附作用，进而有效地降低磁头的黏着力。测试最后显示黏着力略微增大到21.6mN，是由于FDTS单层膜磨损引起。

图3 磁头CSS 20 000次起停循环测试过程中的黏着力变化Fig.3 Adhesion profiles of magnetic head with FDTS SAM in a 20 000cycle CSS test

磁头表面制备FDTS自组装膜的抗磨损性能可以通过CSS启停循环测试的摩擦力结果进行比较分析，如图4所示。磁头的CSS测试第1次启停循环的摩擦力为11.24mN，远小于工作时最低摩擦力19.6mN要求。这表明，磁头表面FDTS自组装膜的长碳氟链和较小的表面粗糙度对减小磁头摩擦力起到很大作用。因为短链分子的柔性大（分子的柔性与组成膜的分子种类、链长、结构和堆积密度有关）、易变形，使得接触面积增大，黏着力升高，导致产生较大的摩擦力［14］。当链长增加后，吸附的有序分子间相互作用形成“泊位能”，从而封闭了振动和能量的耗散渠道，使摩擦力降低［15］。磁头经过其标准寿命循环20 000次测试以后，第20 001次启停循环的摩擦力为26.77mN，如图4（b）。虽然较第1次循环的摩擦力值增大，但其值还在磁头摩擦力允许的19.6～39.2mN范围之内。可见，FDTS自组装膜可以有效增强镀有2nm类金刚石薄膜磁头的摩擦磨损性能，即使经过寿命循环后薄膜表面产生破损，依然能起到减小摩擦的作用，从而延长其寿命。

如图5所示，磁头的第1次和第20 001次启停循环的声信号都正常。实验结果表明：粗糙度低、接触角大的FDTS自组装膜能降低磁头表面能，减少外来污染，可以使磁头表面在20 000次启停循环中保持高清洁度，避免磁头产生干扰信号。

3 结 语

本文成功采用VPM在磁头表面制备了FDTS自组装膜。当反应时间为2h时，可得到膜厚为1.38nm、接触角为109.57°的FDTS单层自组装膜，该膜表面光滑平整，粗糙度为0.127nm，缺陷少。在磁头读写20 000次启停循环过程中，制备了FDTS单层自组装膜的磁头，它可以保持黏着力小于19.6mN，能保持表面清洁，摩擦力在工作要求范围内。实验结果证明：FDTS单层自组装膜能够极大地增强磁头的摩擦学性能，起到有效保护作用。

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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）

胡晓莉（1976－），女，副教授，博士，专业方向为机械设计与理论，E－mail：huxl＠sdju.edu.cn

TH 7

A

2095－0020（2011）05－0281－05

2011－08－29

国家自然科学基金项目资助（51072113）；上海市教育委员会重点学科资助（J51902）