硬盘驱动器中的低分子量z -四醇边界润滑膜

摘要

较低分子量的z-四醇薄膜由于较低的z分布而在滑块-盘界面上显示出较大的机械间距。随着膜厚度的减小，圆盘表面对润滑油扰动(例如，润滑油压)的抵抗能力增强，这是由于分离压力的极性部分的贡献增大。通常在硬盘驱动器中遇到的温度蒸发损失也随着分子量的降低而增加，但强烈依赖于初始键合分数。

1.介绍

为了跟上硬盘驱动器(hdd)较高的面积存储密度要求，滑块的读写元件与刚性磁盘表面之间的间距被减小到。全氟醚(PFPE)边界润滑膜减少了垂直于磁盘表面的动态膨胀(“低z型”)，从而允许较低的飞行。通过降低膜厚、主链分子量及其柔韧性，可以实现低z型PFPEs [1- - - - - -3.]。基于这些研究，一个有用的记忆相关滑盘机械间隙，的主链性质载于(1)如下: MW是分子量，薄膜厚度是多少代表主链的灵活性。

在本报告中，我们比较了低分子量z四醇在hdd中的潜在应用的边界润滑性能。从而量化了驱动温度下对机械间隙、表面能、润滑油脱湿和润滑油蒸发的影响。

2.实验

在这些研究中使用的基质是直径玻璃磁盘的名义在攻丝模式下使用标准的AFM尖端，测量尺寸为5000 AFM的RMS粗糙度。这些测量的典型扫描尺寸为扫描率为0.5 Hz，分辨率为256行。溅射沉积钴基磁记录层(CoPtCr)，然后CVD沉积无定形氮化碳薄膜(称为”)由名义上的15个1200和2200道尔顿(MW) % N. Z-Tetraol-GT的1200和2200道尔顿(MW)从Solvay-Solexis(意大利)购买并直接使用(图)1)。样品的NMR组成见表1。

镜面反射FTIR (Nicolet Magna模型560,Thermo Fisher)被用来量化应用的PFPEs的薄膜厚度。主红外吸收带附近，由于C-F和C-O拉伸振动的组合，与XPS(物理电子仪器)确定的薄膜厚度有关[4]。薄膜从0.7到提供了薄膜厚度校准。标准(XPS)起飞角度(和电子的平均自由路径用于确定PFPE薄膜的厚度。

PFPE润滑油的机械间隙是通过测量头盘界面产生的声发射(AE)来量化的，声发射是滑动盘间隙的函数。在这些实验中，润滑磁盘被放置在旋转架上，并在环境条件下以恒定的7200转/分旋转。实验开始时，允许滑块在旋转圆盘表面上飞行约8nm的高度，并对滑块进行加热，使其凸出读写元件即极尖凸出(PTP)。在此过程中，对声发射信号进行连续监测，将声发射信号的出现解释为滑盘相互作用的发生。滑块飞行高度与(热飞行高度控制)TFC功率用于根据着陆检测校准间隙。测量值交错以最小化测试变量。每个实验重复12-14次，数据的再现性虽然分布比较大，但证明了滑块的飞行特性是恒定的。

通过使滑块在轨道上飞行，在飞行高度为无极端突出，在环境条件下。使用Vena VS-90纺丝机架测试仪。在轨道上飞行20分钟后，磁盘立即被光学表面分析仪(使用Candela型号6120的q相图像)查询，并对润滑油模盖厚度进行量化。

3.结果

有代表性的数据显示声发射信号作为一个功能滑盘间隙显示在图中2(一个)对于Z-Tetraol 2200和1200MW。图中显示了所有间隙数据的平均值和分布情况2 (b)间隙值的相对位置Z-Tetraol 2200。因此，正间隙值代表机械间隙的增加或增加。低分子量z -四醇显示近似滑块与盘面之间的间隙有所改善，这是完全基于(1);也就是说，MW的降低和薄膜的薄一点)允许较低的飞行前发生滑移盘干扰。对清除所得的贡献膜厚差从插图中消除(~0.6))提供~0.5通过Z-Tetraol MW从2200降低到1200的清除增益。详细情况见图的说明2。

数字3.显示出在头部飞行后，圆盘表面的润滑扰动是MW和膜厚的函数。润滑扰动导致润滑物质的积累超过了名义膜厚度，在磁盘表面显示为黑点，这些黑点被称为“润滑油巨斑”[5]。图像中较亮的点表示磁盘表面的润滑膜厚度可能因磁巨头而减少的区域。似乎Z-Tetraol 1200比Z-Tetraol 2200表现出更少的润滑油巨头，可能源于增加的清除(图2)。润滑油压降随膜厚的减小而减小(图)3.)的原因是随着膜厚的减小，附着力增强[6]。

4.讨论

根据(1)， PFPE润滑油的机械间隙可以通过降低:(a)膜厚，(b) MW，和(c)主链柔性来收获。这些调整的使用范围也是有限的，因为它们会对硬盘接口造成有害的影响。例如，将薄膜厚度减小到≤8a，表面能显著增加(图)4)，从而增加了污染在硬盘驱动器中的吸附概率。由于本文的重点是降低MW作为获得机械间隙的一种手段的效果，现在讨论降低MW的局限性。

通过测量表面能作为薄膜厚度和MW的函数，可以很容易地获得关于PFPE的MW效应的有价值的信息。有关粘附强度、吸附污染倾向、润滑剂单层厚度以及临界脱湿厚度的信息可以迅速评估。数字4(一)显示色散表面能量，，作为薄膜厚度对z -四醇的函数。的在所有情况下均随膜厚的增加单调地减小，接近预期的体色散表面能。没有明显的MW效应。在数量上，依赖对所涂润滑膜厚度的影响,也就是说,，可以用,在那里

是常数，然后是“有效”Hamaker常数[7]。的用于拟合色散表面能量曲线的值，通过(1),，表明PFPE主链与底层碳膜之间的相互作用相对较弱，因此不能提供明显的附着力。相应的等于和对于Z-Tetral 2200和1200 MW，分别。更大的对于较低的分子量，z -四醇有望在底层碳表面提供相对较好的附着膜。

对应的极面能量，，作为薄膜厚度的函数也如图所示4 (b)。明显的振荡作为薄膜厚度的函数，表明了由与下表面的极性相互作用引起的PFPEs中的分子分层，这与之前在Zdols中观察到的非常相似[8]。如图所示，结构通过几个或更多的单层传播。第一个最小值对应于表面被润滑剂饱和时的膜厚，即单层膜厚，近似为1200mw及2200兆瓦。因为今天的hdd使用的PFPE薄膜接近10-12，在HDD条件下，除非使用更薄的薄膜，否则降低到1200mw可能无法提供足够的厚度裕度来防止moguls的形成。

虽然识别单层膜厚度对优化边界润滑膜性能很重要，但其对低飞滑块影响的阻力包括空气剪切效应和化学及物理力[9是另一个可以通过表面能量测量来解决的重要方面。由地表能量导出的分离压力[10]，以数字计算5作为一个功能的Z-Tetraol MW，提供了一个良好的比较预期的润滑剂可靠性在HDD接口。在亚单层膜厚度体系中，低分子量z -四醇的总分离压力梯度较大，这是因为其极性组分的贡献较大。因此，较低的MW膜对较薄的膜(≤~10)具有更强的抗润滑扰动和抗压性能)。然而，由于低分子量z -四醇的单层厚度也较薄，当分离压力趋近于零时，其抗膜扰动的能力下降得比高分子量z -四醇更快。这大概发生在14和对于Z-Tetraol 1200和2200，分别，(图5)。因此，薄膜厚度选用的毫米波是一个重要的决定因素。z -四醇1200和2200的单层厚度，确实是非常有用的量，总结在表中2。

本文揭示了用表面能量测量法量化z -四醇单层厚度的相关观察结果。特别是，它对底层碳膜的组成有明显的依赖性。数字6表明，z -四醇单层膜厚度随原子% N的增加而增加，正如Zdol之前观察到的那样[11]。因此，我们注意到，除了PFPE MW本身之外，hdd中所选择的膜厚度还可能受到其他因素的影响，并且由底层膜进行一些补偿是可能的。

利用低MW润滑油的另一个限制是增加蒸发损失的预期硬盘条件下。数字7显示了薄膜厚度损失随时间和接近HDD温度的Z-Tetraol MW的函数。随着MW的降低，显著的膜厚损失会发生，导致性能下降，在硬盘由于缺乏润滑剂膜覆盖。润滑后处理如退火或UV固化可提高结合分数，从而减少润滑油膜中低分子量组分的蒸发损失。数字7结果表明，随着初始粘结比(BR)的增加，蒸发速率降低。

5.结论

较低的MW - z-四醇薄膜在相同的薄膜厚度提供更多的机械间隙比较高的MW - z-四醇由于其较小的z轮廓。磁盘表面(如润滑油巨头)对润滑油扰动的抵抗力增加是由于其分子极性增加;然而，这种行为对薄膜厚度有很强的依赖性，接近单层会很快消除这种优势。对于相同的Z-Tetraol MW，可以通过增加或减少底层碳膜的氮含量来控制单层膜的厚度。

致谢

作者分别感谢该实验室的J. Burns和D. Pocker提供的NMR和ESCA数据。

参考文献

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