પરમાણુની સપાટીને 'સ્પર્શ'તું વિજ્ઞાન: સ્કેનિંગ પ્રોબ માઈક્રોસ્કોપીની આર્કિટેક્ચર અને કાર્યપદ્ધતિ

માનવ ઇતિહાસમાં વિજ્ઞાનની પ્રગતિ હંમેશા આપણી જોવાની ક્ષમતા સાથે જોડાયેલી રહી છે. જ્યારે આપણે કોષોને જોવા માટે ઓપ્ટિકલ માઈક્રોસ્કોપ બનાવ્યા, ત્યારે જીવવિજ્ઞાનમાં ક્રાંતિ આવી. પરંતુ જ્યારે વાત પરમાણુ (atom) સ્તરે પદાર્થને જોવાની આવી, ત્યારે પ્રકાશના કિરણો ટૂંકા પડ્યા. આ મર્યાદાને તોડવા માટે ૧૯૮૧માં આઈબીએમ (IBM) ના વૈજ્ઞાનિકો ગર્ડ બિનીગ (Gerd Binnig) અને હેનરિક રોહરર (Heinrich Rohrer) એ એક એવી ટેકનોલોજી વિકસાવી જે જોતી નથી, પણ 'સ્પર્શે' છે. આ ટેકનોલોજી એટલે સ્કેનિંગ પ્રોબ માઈક્રોસ્કોપી (Scanning Probe Microscopy - SPM). આ શોધ એટલી યુગપ્રવર્તક હતી કે તેના માટે ૧૯૮૬માં તેમને ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું હતું.

સ્કેનિંગ પ્રોબ માઈક્રોસ્કોપી એ માઈક્રોસ્કોપનો એક એવો પરિવાર છે જે સપાટીની છબી બનાવવા માટે ભૌતિક પ્રોબ (probe) એટલે કે એક અત્યંત બારીક સોયનો ઉપયોગ કરે છે. આ પ્રોબ સપાટી પર સ્કેનિંગ કરે છે અને તેના આધારે ડેટા એકત્રિત કરે છે. પરંપરાગત માઈક્રોસ્કોપમાં લેન્સ અને પ્રકાશના કિરણોનો ઉપયોગ થાય છે, જે ડિફ્રેક્શન લિમિટ (diffraction limit) એટલે કે પ્રકાશના તરંગોની મર્યાદાને કારણે ચોક્કસ હદથી વધુ ઝીણવટભર્યું જોઈ શકતા નથી. SPM આ મર્યાદાને ઓળંગી જાય છે કારણ કે તે પ્રકાશ પર નિર્ભર નથી. તેની રિઝોલ્યુશન ક્ષમતા એટલી અદભૂત છે કે તે નેનોમીટર (nanometer) ના દસમા ભાગ સુધીની વિગતો પણ પકડી શકે છે.

આ માઈક્રોસ્કોપની કાર્યપદ્ધતિ પાછળનું મુખ્ય રહસ્ય પીઝોઈલેક્ટ્રિક એક્ટ્યુએટર્સ (piezoelectric actuators) છે. આ એવા ઉપકરણો છે જે ઇલેક્ટ્રિક સિગ્નલ મળતા જ અત્યંત સૂક્ષ્મ હલનચલન કરી શકે છે. આ હલનચલન પરમાણુના કદ કરતા પણ નાનું હોઈ શકે છે. આ એક્ટ્યુએટર્સની મદદથી પ્રોબને સપાટી પર એક્સ (x), વાય (y) અને ઝેડ (z) દિશામાં ખૂબ જ ચોકસાઈથી ફેરવવામાં આવે છે. આ સમગ્ર પ્રક્રિયાને રાસ્ટર સ્કેન (raster scan) કહેવામાં આવે છે, જેમાં પ્રોબ સપાટી પર એક પછી એક લાઈનમાં ફરે છે અને દરેક બિંદુએ ડેટા નોંધે છે.

SPM પરિવારમાં સૌથી જાણીતું નામ એટોમિક ફોર્સ માઈક્રોસ્કોપી (Atomic Force Microscopy - AFM) છે. AFM ની સંરચનામાં એક કેન્ટિલિવર (cantilever) હોય છે, જે દેખાવમાં ડાઈવિંગ બોર્ડ જેવું લાગે છે. આ કેન્ટિલિવરના છેડે એક અત્યંત તીક્ષ્ણ ટિપ (tip) અથવા સોય હોય છે. જ્યારે આ ટિપ સપાટીની નજીક આવે છે, ત્યારે ટિપ અને સપાટીના પરમાણુઓ વચ્ચે વિવિધ પ્રકારના બળો કામ કરવા લાગે છે. આ બળોમાં વાન ડેર વાલ્સ બળ (van der Waals forces), કેપિલરી બળ અને ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટિક બળનો સમાવેશ થાય છે. આ બળોને કારણે કેન્ટિલિવર વળે છે અથવા વિચલિત થાય છે.

આ વિચલનને માપવા માટે લેઝર સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. કેન્ટિલિવરની પાછળની સપાટી પર લેઝર કિરણ ફેંકવામાં આવે છે, જે પરાવર્તિત થઈને ફોટો ડિટેક્ટર (photo detector) પર પડે છે. જો કેન્ટિલિવર સહેજ પણ વળે, તો લેઝરના કિરણનું સ્થાન ડિટેક્ટર પર બદલાઈ જાય છે. આ ફેરફાર એટલો સૂક્ષ્મ હોય છે કે તેને ઇલેક્ટ્રિકલ સિગ્નલમાં ફેરવીને કમ્પ્યુટર દ્વારા સપાટીનો નકશો તૈયાર કરી શકાય છે. આ રીતે, AFM સપાટીને 'ફીલ' કરીને તેની થ્રી-ડી (3D) ટોપોગ્રાફી એટલે કે સપાટીની સંરચના તૈયાર કરે છે.

SPM ની કાર્યક્ષમતા માટે ફીડબેક લૂપ (feedback loop) અત્યંત મહત્વનું છે. ફીડબેક લૂપ એ એક એવી સિસ્ટમ છે જે પ્રોબ અને સપાટી વચ્ચેનું અંતર સતત જાળવી રાખે છે. સામાન્ય રીતે આ માટે પીઆઈ-લૂપ (PI-loop) નો ઉપયોગ થાય છે. જ્યારે પ્રોબ સપાટી પરના કોઈ ઊંચા ભાગ પર આવે, ત્યારે ફીડબેક સિસ્ટમ તરત જ પ્રોબને થોડો ઉપર ઉઠાવે છે જેથી તે સપાટી સાથે અથડાઈ ન જાય. આ રીતે પ્રોબ અને સપાટી વચ્ચેનું બળ અથવા અંતર અચળ રાખવામાં આવે છે. પ્રોબને ઉપર-નીચે કરવા માટે જે વોલ્ટેજ આપવો પડે છે, તેના આધારે જ સપાટીની ઊંચાઈ નક્કી થાય છે.

માઈક્રોસ્કોપની રિઝોલ્યુશન ક્ષમતા પ્રોબની ટિપ કેટલી તીક્ષ્ણ છે તેના પર નિર્ભર કરે છે. આદર્શ રીતે, જો આપણે પરમાણુ સ્તરનું રિઝોલ્યુશન જોઈતું હોય, તો ટિપના છેડે માત્ર એક જ પરમાણુ હોવો જોઈએ. આ ટિપ સામાન્ય રીતે સિલિકોન અથવા સિલિકોન નાઈટ્રાઈડમાંથી બનાવવામાં આવે છે. સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઈક્રોસ્કોપ (STM) જેવા ઉપકરણોમાં પ્લેટિનમ-ઈરિડિયમ અથવા ટંગસ્ટન વાયરનો ઉપયોગ થાય છે. આ વાયરને એવી રીતે કાપવામાં અથવા ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રીતે એચિંગ (etching) કરવામાં આવે છે કે તેનો છેડો અત્યંત અણીદાર બને. જો ટિપ બુઠ્ઠી હોય અથવા તેના છેડે એક કરતા વધુ અણીઓ હોય, તો છબીમાં ખામીઓ (artifacts) આવી શકે છે, જેને ઘોસ્ટ ઈમેજ (ghost image) કહેવામાં આવે છે.

SPM ના મુખ્યત્વે બે ઓપરેટિંગ મોડ હોય છે: કોન્સ્ટન્ટ ઈન્ટરેક્શન મોડ અને કોન્સ્ટન્ટ હાઈટ મોડ. કોન્સ્ટન્ટ ઈન્ટરેક્શન મોડમાં, ફીડબેક લૂપ ચાલુ હોય છે અને તે પ્રોબને સપાટીની વધ-ઘટ મુજબ ઉપર-નીચે કરે છે. આ મોડ સુરક્ષિત છે કારણ કે તેમાં પ્રોબ સપાટી સાથે અથડાવાની શક્યતા ઓછી હોય છે. બીજી તરફ, કોન્સ્ટન્ટ હાઈટ મોડમાં પ્રોબને એક જ ઊંચાઈ પર રાખીને સ્કેન કરવામાં આવે છે. આ મોડમાં સ્કેનિંગ ઝડપથી થઈ શકે છે, પરંતુ જો સપાટી પર કોઈ અચાનક ઉંચો ભાગ આવે, તો પ્રોબ તૂટી જવાનો ભય રહે છે. તેથી આ મોડનો ઉપયોગ કરતા પહેલા સપાટી કેટલી સપાટ છે તે તપાસવું જરૂરી છે.

AFM માં પણ ત્રણ પેટા-પદ્ધતિઓ છે: કોન્ટેક્ટ મોડ, ટેપિંગ મોડ અને નોન-કોન્ટેક્ટ મોડ. કોન્ટેક્ટ મોડમાં ટિપ સપાટીને સતત અડીને ચાલે છે. ટેપિંગ મોડ (tapping mode) માં કેન્ટિલિવરને ચોક્કસ ફ્રીક્વન્સી પર ધ્રુજાવવામાં આવે છે, જેથી ટિપ સપાટીને હળવા ટકોરા મારતી હોય તેમ ફરે છે. આ પદ્ધતિ નરમ પદાર્થો અથવા જૈવિક નમૂનાઓ માટે શ્રેષ્ઠ છે કારણ કે તે સપાટીને નુકસાન પહોંચાડતી નથી. નોન-કોન્ટેક્ટ મોડમાં ટિપ સપાટીથી થોડી દૂર રહીને માત્ર પરમાણુ બળોના આધારે ડેટા મેળવે છે.

SPM ના ફાયદાઓની વાત કરીએ તો, તે માત્ર સપાટીની છબી જ નથી બનાવતું, પણ પદાર્થના ગુણધર્મો પણ માપી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, મેગ્નેટિક ફોર્સ માઈક્રોસ્કોપી (MFM) દ્વારા સપાટી પરના ચુંબકીય ક્ષેત્રોને જોઈ શકાય છે, જ્યારે કંડક્ટિવ AFM (C-AFM) દ્વારા સપાટીની વિદ્યુત વાહકતા માપી શકાય છે. આ ઉપરાંત, આ માઈક્રોસ્કોપનો ઉપયોગ કરીને પરમાણુઓને એક જગ્યાએથી બીજી જગ્યાએ ખસેડી શકાય છે, જેને એટોમિક મેનિપ્યુલેશન (atomic manipulation) કહેવામાં આવે છે. આ ક્ષમતા નેનો-ટેકનોલોજીમાં નવા ઉપકરણો બનાવવા માટે પાયારૂપ છે.

જોકે, SPM ની કેટલીક મર્યાદાઓ પણ છે. આ પદ્ધતિથી છબી મેળવવાની પ્રક્રિયા ઘણી ધીમી છે કારણ કે પ્રોબને આખી સપાટી પર ભૌતિક રીતે ફરવું પડે છે. વળી, સ્કેનિંગ એરિયા પણ ઘણો નાનો હોય છે, સામાન્ય રીતે ૧૦૦ માઈક્રોમીટર કરતા પણ ઓછો. સમય જતાં સપાટીમાં થતા થર્મલ ડ્રિફ્ટ (thermal drift) એટલે કે તાપમાનના ફેરફારને કારણે થતા સૂક્ષ્મ વિસ્તરણને લીધે પણ માપનમાં ભૂલો આવી શકે છે. આથી જ અત્યંત ચોકસાઈભર્યા પ્રયોગો માટે અલ્ટ્રા-લો ટેમ્પરેચર અને વેક્યૂમ (vacuum) પરિસ્થિતિની જરૂર પડે છે.

આધુનિક વિજ્ઞાનમાં SPM નો ઉપયોગ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગ, બેટરી સંશોધન અને જીવવિજ્ઞાનમાં વ્યાપકપણે થાય છે. કેન્સરના કોષો અને સામાન્ય કોષો વચ્ચેની કઠિનતા (hardness) નો તફાવત માપવા માટે પણ AFM નો ઉપયોગ થઈ રહ્યો છે. ભારતમાં પણ આઈઆઈટી (IIT) અને અન્ય સંશોધન સંસ્થાઓમાં આ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ નેનો-મટીરિયલ્સના અભ્યાસ માટે કરવામાં આવે છે. જેમ જેમ સોફ્ટવેર અને એલ્ગોરિધમ્સ સુધરતા જાય છે, તેમ તેમ આ માઈક્રોસ્કોપ દ્વારા મળતા ડેટાનું વિશ્લેષણ વધુ સચોટ બનતું જાય છે, જે આપણને પરમાણુની અદ્રશ્ય દુનિયાના નવા રહસ્યો ખોલવામાં મદદ કરે છે.