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Research on Surface Tribology of Rigid Magnetic Thin Film Disks

(薄膜型固定磁気ディスクの表面トライボロジーに関する研究)

氏名 西森 賢一
学位の種類 工学博士
学位記番号 博甲第38号
学位授与の日付 平成3年3月25日
学位論文の題目 Research on Tribology of Rigid Magnetic Thin Film Disks(薄膜型固定磁気ディスクの表面トライボロジーに関する研究)
論文審査委員
 主査 教授 田中 紘一
 副査 教授 一ノ瀬 幸雄
 副査 助教授 井上 泰宣
 副査 助教授 石崎 幸三
 副査 助教授 柳 和久
 副査 早稲田大学理工学部教授 宇田 応之

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Contents
Chapter 1
Introduction p.1
1-1 History of rigid magnetic disks p.2
1-2 Industrial significance of tribology on rigid magnetic disks p.5
1-3 Scope of this study p.10
References p.12
Chapter 2
Determination of the lubricant overlayer thickness on magnetic thin film disks with X-ray photoelectron spectroscopy. p.18
Abstract p.19
2-1 Introduction p.20
2-2 Experimental methods p.23
2-2-1 Samples p.23
2-2-2 FT-IR measurement p.24
2-2-3 XPS measurement p.25
2-3 Experimental results p.27
2-3-1 FT-IR measurement p.27
2-3-2 XPS measurement p.28
2-4 Discussions p.33
2-5 Conclusions p.36
Referencse p.37
Chapter 3
Characterization of lubrication states on magnetic thin film disks using low energy photoelectron spectroscopy method and their effect on tribological behavior between slider and disk. p.45
Abstract p.46
3-1 Introduction p.47
3-2 Experimental methods p.50
3-2-1 Samples p.50
3-2-2 FT-IR measurement p.51
3-2-3 LEPS measurement p.51
3-2-4 Friction measurements p.53
3-3 Experimental results p.55
3-3-1 FT-IR measurement p.55
3-3-2 LEPS measurement for evaluation of lubrication states p.55
3-3-3 The static friction measurement p.57
3-3-4 LEPS and friction measurements on sliding test p.58
3-4 Discussions p.60
3-4-1 The lubrication states on sputter-carbon disks p.60
3-4-2 The photoemission of lubricated disks p.62
3-4-3 Sliding test p.64
3-5 Conclusions p.66
References p.67
Chapter 4
Evaluation of Surface contamination on magnetic thin film disks using low energy photoelectron spectroscopy method. p.86
Abstract p.87
4-1 Introduction p.88
4-2 Experimental methods p.90
4-2-1 Samples p.90
4-2-2 LEPS and XPS measurements p.91
4-3 Experimental results p.92
4-3-1 Evaluation of Surface contaminant on sputter-carbon sample using LEPS and XPS p.92
4-3-2 The influence of surface contaminant on the wettability of fluorocarbon lubricant p.95
4-4 Discussions p.98
4-4-1 THe surface contamination state on sputter-carbon sample p.98
4-4-2 THe lubrication states on the contaminated sputter-carbon surface p.99
4-5 Conclusions p.100
References p.101
Chapter 5
Observation of wear damage on magnetic disk using replication technique with SEM installed by a pair of secondary electron detectors. p.111
Abstract p.112
5-1 Introduction p.113
5-2 Experimental methods p.116
5-2-1 Samples p.116
5-2-2 Disk durability test p.116
5-2-3 SEM and stylus profilometer measurements p.117
5-3 Experimental results and discussions p.120
5-3-1 Disk durability test p.120
5-3-2 SEM and stylus profilometer measurements p.121
a)Comparison of surface profiles measured by three different methods p.121
b)SEM observation of damaged disks in overload test p.123
c)SEM observation of damaged disk and slider in CSS test p.124
5-4 Conclusions p.126
References p.127
Chapter 6
Summary p.138
Publications p.143

 本研究では、X線光電子分光法(XPS)ならびに低エネルギー光電子分光法(LEPS)により、薄膜固定磁気ディスク上に塗付されている厚さ数nm程度の表面潤滑剤、そして媒体上の表面汚染層の評価方法の確率について論じた。そしてこれらの評価手法により得られた媒体表面上における数nm程度の極微小領域の情報に基づいて、スライダー/ディスク間のトライボロジー的挙動を化学的見地により検討したものである。さらに、二次電子線走査型電子顕微鏡(SEM)、ならびにアセテートレプリカ法を用いた新しい媒体摩耗損傷の定量的評価手法の確立を行った。
 第1章「緒論」では、薄膜型固定磁気ディスク装置の概略を述べ、そのトライボロジー的問題点ならびに現在までに行われてきた研究の概要を示すと共に、本研究の意義と目的を明らかにした。
 第2章「XPSによる媒体表面上の潤滑剤膜厚の評価」では、XPSにより潤滑剤膜厚の絶対値を決定する際に、電子の潤滑剤中での減衰長さ(λ)の値が不可欠であることを詳述し、潤滑剤および媒体保護膜を形成する炭素(C)、酸素(O)、およびふっ素(F)の内かく電子のλを実験的に決定した。各元素の内かく電子はそれぞれ異なる運動エネルギーを有し、各減衰長さはλC=2.88±0.68nm、λo=1.88±0.48nm、λF=1.49±0.37nmと決定された。これらの値は、従来より用いられてきた有機化合物におけるλの経験式から計算された値によく一致することを示した。さらに本実験結果を用いることで、±1nm以下の精度で潤滑剤膜厚を決定できることを可能とし、中でもふっ素(F)の内かく電子の信号強度を用いることが最も精度よく膜厚を決定できるということを示唆した。
 第3章「LEPSによる媒体表面上の潤滑状態評価およびそのスライダー/ディスク間のトライボロジー的挙動への影響」においては、大気中でしかも非破壊・その場観察が可能なLEPSの潤滑状態評価への応用について論じた。さらにディスク摺動試験において本装置により評価された潤滑状態とスライダー/ディスク間のトライボロジー的挙動の因果関係について化学的見地から検討を行った。LESPによる潤滑剤膜厚評価では、電子の減衰長さ(λ)は6.4nmと決定され、膜厚5nm以下の潤滑状態が媒体の光電的仕事関数により評価されることを明らかにした。さらに第2層目以上の潤滑膜がスライダー/ディスク間のトライボロジー的挙動に著しい影響を及ぼすことがLEPS結果から示唆され、それらの挙動が媒体表面の化学的情報と密接に関連することを示した。
 第4章「LEPSおよびXPSによる媒体表面上の表面汚染の評価」では、大気中における媒体表面の汚染状態評価へのLESPの応用、ならびにXPSを併用した表面汚染物の同定について詳述した。さらに第2章で得られた結果を用いて、表面汚染層の潤滑剤の媒体表面上への濡れ性に及ぼす影響をXPSにより検討した。LEPSは媒体の表面汚染評価においてXPSと同等の感度を持つことが明らかにされ、汚染層の大部分が大気中の水分によるものであることがXPSにより同定された。また、表面汚染層の増加にともない潤滑剤の媒体表面への濡れ性が低下することが見い出された。
 第5章「二次電子線SEMによる媒体摩耗損傷のレプリカ観察」においては、損傷の経時変化の観察が可能なアセテートレプリカ法と、表面形状評価用二次電子線SEMを併用した媒体表面損傷の定量的評価について論じた。さらに媒体の機械的耐久性の媒体保護膜厚(スパッタカーボン)への依存性を、過負荷試験・CSS試験において検討した。SEM観察結果より、60nm以上の大きさをもつ媒体摩耗損傷ならばレプリカ法により観察が可能であることがあきらかになった。また過負荷試験において、ディスク耐久性はカーボン膜厚に著しく依存し、さらにスライダー/ディスク間の動摩擦係数は表面摩耗傷が増加するのに伴って上昇することが見いだされた。一方、カーボン膜厚5nmのディスクのCSS試験では、4回のCSS試験で幅1μm、深さ0.1μm程度の傷が発生することが示された。
 第6章「結論」では、各章の主な結論を要約して論文の結論としている。
 本論文は薄膜型固定磁気ディスクにおけるトライボロジー的問題を化学的見地から検討したものであり、今後の媒体開発ならびに数nm程度の極微小領域におけるトライボロジー的挙動の解明に大きく寄与するものと考えられる。

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