蒸發(fā)溶液法制備磁頭表面自組裝膜

胡曉莉

（上海電機學(xué)院 機械學(xué)院，上海 200245）

蒸發(fā)溶液法制備磁頭表面自組裝膜

胡曉莉

（上海電機學(xué)院 機械學(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）。使用時間飛行二次離子質(zhì)譜儀（TOF－SIMS）、接觸角測量儀和原子力顯微鏡（AFM）對FDTS自組裝膜進(jìn)行表征，并采用磁頭啟停（CSS）實驗對其摩擦學(xué)性能進(jìn)行了測試。實驗結(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程中磁頭的摩擦磨損，黏著力保持小于19.6mN。經(jīng)過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，硬盤隨著計算機的飛速發(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。這個增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了半導(dǎo)體行業(yè)提出的摩爾定律［1］。硬盤數(shù)據(jù)存儲面密度的爆炸性增長，記錄的磁信號線寬也已達(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越多，對磁頭防摩擦磨損和污染的作用隨之減弱。有機氯硅烷和有機烷氧基硅烷廣泛應(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），對溶液的濃度和實驗條件要求較高；因此，本文采用蒸發(fā)溶液法（Vapor Phase Method，VPM）直接蒸發(fā)試劑，可簡化實驗條件，加快實驗進(jìn)度，有利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

1 實 驗

1.1 實驗試劑

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

1.2 實驗條件和制備過程

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，再通氮氣2min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)時間通過修改控制程序?qū)崿F(xiàn)；③ 制備完成后，抽真空1min到1 333.2Pa，通氮氣2min到0.1MPa，最后2min時間恢復(fù)常壓，即可打開反應(yīng)箱門取出實驗磁頭；④實驗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)氮氣吹干，放入無塵炬爐內(nèi)，在120℃溫度下干燥30min。

1.3 測試儀器

自組裝膜膜厚測量使用時間飛行二次離子質(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，掃描時間為2min。

自組裝膜的表面形貌和粗糙度測量使用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。對同一樣品測試時至少取3點進(jìn)行掃描。

自組裝膜靜態(tài)測量水的接觸角時使用VCA2500XE可視接觸角測量儀，所用離子水測量液滴容積為0.5μL，精度為0.1°，最終結(jié)果取同一樣品上3～4個點測量值的平均值。

1.4 性能測試方式

使用Olympus磁頭磁盤界面可靠性測試系統(tǒng)測試磁頭啟停（Contact Start Stop，CSS）過程中自組裝膜的摩擦學(xué)性能。CSS實驗參數(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，停留時間延長至2h，完成20 000次啟停循環(huán)后，停留時間再延長至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)時間之間的關(guān)系如圖1所示。膜厚隨反應(yīng)時間增長迅速增加，在2h時達(dá)到飽和。反應(yīng)發(fā)生10min時，接觸角就達(dá)到100.2°，其后隨反應(yīng)時間增長而增加緩慢，在2h時達(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)時間的AFM表面形貌變化如圖2所示。在實驗開始10min后，磁頭表面就開始形成許多簇狀FDTS亞單層膜，高度約為0.62nm。反應(yīng)時間在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)時間為2h時，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)時間為2h時測得的膜厚為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通過高溫真空最大限度降低反應(yīng)環(huán)境中的水分對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自組裝膜的生長有4個階段。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，是通過簇數(shù)量增加而進(jìn)行生長的。這說明反應(yīng)環(huán)境中水分含量是影響亞單層膜形狀和生長方式的重要因素。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，也會出現(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CSS測試考察制備FDTS自組裝膜后磁頭的摩擦學(xué)性能變化，以及長時間工作后磁頭表面的清潔度。本文采用反應(yīng)時間為2h時制備的樣品進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試。因為該反應(yīng)時間制備的FDTS自組裝膜具有表面能低、表面粗糙度小的特點。

磁頭的黏著力在整個CSS測試中都遠(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，能夠通過降低磁頭表面能，減少外界污染物對磁頭表面的吸附作用，進(jìn)而有效地降低磁頭的黏著力。測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)測試過程中的黏著力變化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CSS啟停循環(huán)測試的摩擦力結(jié)果進(jìn)行比較分析，如圖4所示。磁頭的CSS測試第1次啟停循環(huán)的摩擦力為11.24mN，遠(yuǎn)小于工作時最低摩擦力19.6mN要求。這表明，磁頭表面FDTS自組裝膜的長碳氟鏈和較小的表面粗糙度對減小磁頭摩擦力起到很大作用。因為短鏈分子的柔性大（分子的柔性與組成膜的分子種類、鏈長、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”，從而封閉了振動和能量的耗散渠道，使摩擦力降低［15］。磁頭經(jīng)過其標(biāo)準(zhǔn)壽命循環(huán)20 000次測試以后，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)?？梢?，F(xiàn)DTS自組裝膜可以有效增強鍍有2nm類金剛石薄膜磁頭的摩擦磨損性能，即使經(jīng)過壽命循環(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)的聲信號都正常。實驗結(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。

3 結(jié) 語

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)時間為2h時，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)。實驗結(jié)果證明：FDTS單層自組裝膜能夠極大地增強磁頭的摩擦學(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)方向為機械設(shè)計與理論，E－mail：huxl＠sdju.edu.cn

TH 7

A

2095－0020（2011）05－0281－05

2011－08－29

國家自然科學(xué)基金項目資助（51072113）；上海市教育委員會重點學(xué)科資助（J51902）