અદ્રશ્ય જગતનું જીવંત દર્શન: સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપની અદભૂત ટેકનોલોજી અને તેની કાર્યપદ્ધતિ
પ્રકાશના કિરણોને બદલે ઇલેક્ટ્રોનનો ઉપયોગ કરીને નેનોમીટર સ્તરની વિગતો જોવાની ક્ષમતા ધરાવતું SEM વિજ્ઞાન જગતનું એક શક્તિશાળી સાધન છે.
માનવ આંખની જોવાની એક મર્યાદા છે. આપણે આપણી આસપાસની દુનિયાને પ્રકાશના કિરણો દ્વારા જોઈએ છીએ, પરંતુ જ્યારે વાત અતિ સૂક્ષ્મ કણોની આવે ત્યારે સામાન્ય પ્રકાશના તરંગો ટૂંકા પડે છે. આ મર્યાદાને ઓળંગવા માટે વિજ્ઞાનીઓએ સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (Scanning Electron Microscope - SEM) નામનું અદભૂત સાધન વિકસાવ્યું છે. આ માઇક્રોસ્કોપ પ્રકાશને બદલે ઇલેક્ટ્રોનના કેન્દ્રિત બીમ (beam) નો ઉપયોગ કરીને નમૂનાની સપાટીને સ્કેન કરે છે. આ પ્રક્રિયા દ્વારા જે છબીઓ મળે છે તે એટલી વિગતવાર હોય છે કે તેમાં પદાર્થની સપાટીની રચના અને તેના બંધારણ વિશે અભૂતપૂર્વ માહિતી મળે છે.
સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપનો ઇતિહાસ ઘણો રસપ્રદ છે. મેક્સ નોલ (Max Knoll) નામના વિજ્ઞાનીએ સૌપ્રથમ ઇલેક્ટ્રોન બીમ સ્કેનર દ્વારા ફોટોગ્રાફ મેળવ્યો હતો, પરંતુ ૧૯૩૭ માં મેનફ્રેડ વોન આર્ડેન (Manfred von Ardenne) એ અત્યંત નાના રાસ્ટર (raster) સ્કેનનો ઉપયોગ કરીને ઉચ્ચ રિઝોલ્યુશન ધરાવતું માઇક્રોસ્કોપ બનાવ્યું હતું. આ જ વર્ષે કેનેડામાં સેસિલ ઇ. હોલ (Cecil E. Hall) દ્વારા પણ પ્રથમ એમિશન માઇક્રોસ્કોપ તૈયાર કરવામાં આવ્યું હતું. આર્ડેનનો મુખ્ય હેતુ ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (TEM) ની મર્યાદાઓને દૂર કરવાનો હતો. છેવટે, ૧૯૬૫ માં કેમ્બ્રિજ સાયન્ટિફિક ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ કંપની દ્વારા 'સ્ટીરિયોસ્કેન' (Stereoscan) નામે પ્રથમ વ્યાપારી મોડેલ બજારમાં મૂકવામાં આવ્યું, જેણે વિજ્ઞાનના ક્ષેત્રમાં ક્રાંતિ લાવી દીધી.
| વર્ષ | ઘટના/વ્યક્તિ |
|---|---|
| ૧૯૩૭ | મેનફ્રેડ વોન આર્ડેન દ્વારા ઉચ્ચ રિઝોલ્યુશન માઇક્રોસ્કોપની શોધ |
| ૧૯૩૭ | સેસિલ ઇ. હોલ દ્વારા પ્રથમ એમિશન માઇક્રોસ્કોપનું નિર્માણ |
| ૧૯૬૫ | કેમ્બ્રિજ સાયન્ટિફિક દ્વારા પ્રથમ વ્યાપારી 'સ્ટીરિયોસ્કેન' મોડેલ |
- ઇલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનઇલેક્ટ્રોન ગન દ્વારા હાઇ-એનર્જી ઇલેક્ટ્રોનનો બીમ પેદા કરવામાં આવે છે.
- ફોકસિંગઇલેક્ટ્રોન લેન્સ આ બીમને અત્યંત બારીક બિંદુ પર કેન્દ્રિત કરે છે.
- સ્કેનિંગડિફ્લેક્શન કોઇલ્સ આ બીમને નમૂનાની સપાટી પર રાસ્ટર પેટર્નમાં ફેરવે છે.
- સિગ્નલ ઉત્સર્જનઇલેક્ટ્રોન અને નમૂનાના પરમાણુઓ વચ્ચેની અથડામણથી સેકન્ડરી અને બેક-સ્કેટર ઇલેક્ટ્રોન છૂટા પડે છે.
- ડિટેક્શન અને પ્રોસેસિંગડિટેક્ટર આ ઇલેક્ટ્રોનને પકડીને તેને ઇલેક્ટ્રિકલ સિગ્નલમાં ફેરવે છે, જેમાંથી કમ્પ્યુટર પર છબી બને છે.
SEM કેવી રીતે કામ કરે છે તે સમજવા માટે તેના આંતરિક ભાગોને સમજવા જરૂરી છે. આ માઇક્રોસ્કોપમાં મુખ્યત્વે એક ઇલેક્ટ્રોન ગન (electron gun), ઇલેક્ટ્રોન લેન્સ (electron lenses) અને વેક્યૂમ પંપ (vacuum pumps) હોય છે. ઇલેક્ટ્રોન ગન દ્વારા ૦.૧ થી ૩૦ કિલો ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટ (keV) ની ઉર્જા ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન પેદા કરવામાં આવે છે. આ ઇલેક્ટ્રોનને ઇલેક્ટ્રોન લેન્સ દ્વારા કેન્દ્રિત કરીને નમૂના પર ૧૦ નેનોમીટરથી પણ નાની જગ્યાએ ફેંકવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન ડિફ્લેક્શન કોઇલ્સ (deflection coils) ઇલેક્ટ્રોન બીમને નમૂના પર રાસ્ટર સ્કેન (raster scan) પદ્ધતિથી ફેરવે છે, જે રીતે જૂના ટેલિવિઝનમાં ચિત્ર બનતું હતું.
જ્યારે આ હાઇ-એનર્જી ઇલેક્ટ્રોન નમૂનાની સપાટી સાથે અથડાય છે, ત્યારે વિવિધ પ્રકારના સિગ્નલ ઉત્પન્ન થાય છે. આ સિગ્નલોમાં સેકન્ડરી ઇલેક્ટ્રોન (secondary electrons - SE), બેક-સ્કેટર ઇલેક્ટ્રોન (back-scattered electrons - BSE), એક્સ-રે (X-rays) અને પ્રકાશનો સમાવેશ થાય છે. આ સિગ્નલોને પકડવા માટે અલગ-અલગ ડિટેક્ટર્સ (detectors) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ ડિટેક્ટર્સ દ્વારા મળેલી માહિતીને ડિજિટલ સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત કરીને કમ્પ્યુટર સ્ક્રીન પર છબી તૈયાર કરવામાં આવે છે. SEM ની સૌથી મોટી ખાસિયત એ છે કે તે પદાર્થની સપાટીને ત્રિ-પરિમાણીય (3D) દેખાવ આપે છે, જેનાથી તેની ઊંડાઈ અને રચના સમજવી સરળ બને છે.
સેકન્ડરી ઇલેક્ટ્રોન (SE) ઇમેજિંગ એ SEM માં સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ છે. આ ઇલેક્ટ્રોન ૫૦ ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટ (eV) થી ઓછી ઉર્જા ધરાવે છે અને તે નમૂનાની સપાટીના ઉપરના થોડા નેનોમીટરના ભાગમાંથી જ બહાર આવે છે. આ કારણે તે સપાટીની ટોપોગ્રાફી (topography), એટલે કે સપાટીના ઉંચા-નીચા ભાગોની અત્યંત સચોટ માહિતી આપે છે. આ સિગ્નલને પકડવા માટે એવરહાર્ટ-થોર્નલી (Everhart–Thornley) ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ થાય છે. આ ડિટેક્ટરની શોધે SEM ની કાર્યક્ષમતામાં મોટો વધારો કર્યો છે, કારણ કે તે ઓછા અવાજ (noise) સાથે ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા સિગ્નલ મેળવી શકે છે.
બીજી તરફ, બેક-સ્કેટર ઇલેક્ટ્રોન (BSE) એવા ઇલેક્ટ્રોન છે જે નમૂનાના પરમાણુઓ સાથે અથડાઈને પાછા ફરે છે. તેમની ઉર્જા સેકન્ડરી ઇલેક્ટ્રોન કરતા ઘણી વધારે હોય છે, તેથી તેઓ નમૂનાની થોડી વધુ ઊંડાઈમાંથી બહાર આવે છે. BSE સિગ્નલની તીવ્રતા નમૂનામાં રહેલા તત્વોના પરમાણુ ક્રમાંક (atomic number) પર આધાર રાખે છે. જે તત્વોનો પરમાણુ ક્રમાંક વધારે હોય, તે વધુ ઇલેક્ટ્રોન પાછા ફેંકે છે અને ઇમેજમાં વધુ તેજસ્વી દેખાય છે. આ પદ્ધતિ દ્વારા વિજ્ઞાનીઓ નમૂનામાં કયા અલગ-અલગ તત્વો રહેલા છે તેનું વિતરણ જાણી શકે છે, જોકે તેનાથી તત્વોની ઓળખ સીધી રીતે થઈ શકતી નથી.
SEM ની ક્ષમતાની વાત કરીએ તો, તે ૧૦ ગણાથી લઈને ૩૦,૦૦,૦૦૦ (ત્રીસ લાખ) ગણું મેગ્નિફિકેશન (magnification) આપી શકે છે. આ આંકડો સામાન્ય પ્રકાશ માઇક્રોસ્કોપ કરતા લગભગ ૨૫૦ ગણો વધારે છે. આટલી ઊંચી ક્ષમતાને કારણે જ આપણે વાયરસ, બેક્ટેરિયા અને પદાર્થના અણુ-પરમાણુ સ્તરની રચના જોઈ શકીએ છીએ. નેચર (Nature) સામયિક અને વિવિધ સંશોધન પત્રો મુજબ, આધુનિક SEM ૧ નેનોમીટરથી પણ ઓછું રિઝોલ્યુશન મેળવી શકે છે. રિઝોલ્યુશન એટલે કે બે અત્યંત નજીક રહેલા બિંદુઓને અલગ-અલગ જોવાની ક્ષમતા. જેટલું રિઝોલ્યુશન ઓછું, તેટલી છબી વધુ સ્પષ્ટ.
| વિગત | સેકન્ડરી ઇલેક્ટ્રોન (SE) | બેક-સ્કેટર ઇલેક્ટ્રોન (BSE) |
|---|---|---|
| ઉર્જા સ્તર | ઓછી (૫૦ eV થી ઓછી) | વધારે (બીમ જેટલી જ) |
| ઉત્પત્તિનું સ્થાન | સપાટીના ઉપરના થોડા નેનોમીટર | નમૂનાની વધુ ઊંડાઈએથી |
| મુખ્ય ઉપયોગ | સપાટીની રચના (Topography) | તત્વોનું વિતરણ (Composition) |
| રિઝોલ્યુશન | અત્યંત ઉચ્ચ (૧ nm થી ઓછું) | SE કરતા ઓછું |
નમૂનાની તૈયારી (sample preparation) એ SEM પ્રક્રિયાનો સૌથી મહત્વનો ભાગ છે. SEM ની અંદરનું ચેમ્બર ઉચ્ચ શૂન્યાવકાશ (high vacuum) ધરાવતું હોય છે, કારણ કે જો ત્યાં હવા હોય તો ઇલેક્ટ્રોન હવામાં રહેલા પરમાણુઓ સાથે અથડાઈને વિખેરાઈ જાય. આ શૂન્યાવકાશમાં નમૂનો ટકી રહેવો જોઈએ. લાકડું, હાડકાં કે સૂકા જંતુઓ જેવા સખત પદાર્થોને સીધા જોઈ શકાય છે, પરંતુ જીવંત કોષો કે નરમ પેશીઓ માટે ખાસ રાસાયણિક પ્રક્રિયા કરવી પડે છે. જૈવિક નમૂનાઓને ગ્લુટાલેડિહાઈડ (glutaraldehyde) જેવા રસાયણોથી ફિક્સ (fixation) કરવામાં આવે છે અને ત્યારબાદ તેનું નિર્જલીકરણ (dehydration) કરવામાં આવે છે.
નિર્જલીકરણ દરમિયાન પાણીને બદલે ઇથેનોલ કે એસિટોનનો ઉપયોગ થાય છે. જો નમૂનાને સીધો હવામાં સુકવવામાં આવે તો તેની સપાટી સંકોચાઈ જાય છે અને આકાર બગડી જાય છે. આ સમસ્યા ટાળવા માટે 'ક્રિટિકલ પોઇન્ટ ડ્રાયિંગ' (critical point drying) પદ્ધતિ વપરાય છે, જેમાં પ્રવાહી કાર્બન ડાયોક્સાઇડનો ઉપયોગ કરીને નમૂનાને એવી રીતે સુકવવામાં આવે છે કે તેની આંતરિક રચનાને નુકસાન ન થાય. આ ઉપરાંત, જો નમૂનો વીજળીનો અવાહક હોય, તો તેના પર સોના (gold) કે પ્લેટિનમ જેવી ધાતુનું અત્યંત પાતળું પડ ચડાવવામાં આવે છે, જેને સ્પટર કોટિંગ (sputter coating) કહેવાય છે. આ પડ ચડાવવાથી નમૂના પર વીજભાર (charge) જમા થતો નથી અને છબી સ્પષ્ટ મળે છે.
ગોલ્ડસ્ટેઈન અને અન્ય નિષ્ણાતોના મતે, જો નમૂનો વાહક ન હોય તો તે ઇલેક્ટ્રોન અરીસાની જેમ વર્તે છે, જેને 'ચાર્જિંગ' (charging) કહેવામાં આવે છે. આ સમસ્યા દૂર કરવા માટે જ ધાતુનું કોટિંગ અનિવાર્ય છે. કેટલીકવાર બાયોલોજિકલ નમૂનાઓને ઓસ્મિયમ (osmium) દ્વારા પણ વાહક બનાવવામાં આવે છે. આધુનિક ટેકનોલોજીમાં હવે ક્રાયો-એસઈએમ (Cryo-SEM) નો પણ ઉપયોગ થાય છે, જેમાં નમૂનાને અત્યંત નીચા તાપમાને થીજવી દેવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિ ચરબી (fats) કે બરફ જેવા તાપમાન પ્રત્યે સંવેદનશીલ પદાર્થોના અભ્યાસ માટે આશીર્વાદરૂપ સાબિત થઈ છે.
SEM માત્ર છબીઓ લેવા પૂરતું મર્યાદિત નથી. તેમાં એનર્જી ડિસ્પર્સિવ એક્સ-રે સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (EDS) જેવી સુવિધાઓ ઉમેરી શકાય છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન બીમ નમૂનાના પરમાણુના અંદરના ભાગમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને દૂર કરે છે, ત્યારે એક્સ-રે ઉત્સર્જિત થાય છે. આ એક્સ-રેની તરંગલંબાઇ માપીને એ જાણી શકાય છે કે નમૂનામાં કયા તત્વો (જેમ કે લોખંડ, સિલિકોન, કાર્બન) કેટલી માત્રામાં હાજર છે. આ રીતે SEM એક શક્તિશાળી વિશ્લેષણાત્મક સાધન (analytical tool) બની જાય છે, જેનો ઉપયોગ ફોરેન્સિક સાયન્સ, મટીરિયલ સાયન્સ અને સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં વ્યાપકપણે થાય છે.
ભારત જેવા દેશોમાં પણ નેનોટેકનોલોજી અને ફાર્માસ્યુટિકલ સંશોધનમાં SEM નો ઉપયોગ સતત વધી રહ્યો છે. નવી દવાઓના કણોની સાઈઝ માપવા માટે કે નવા મટીરિયલના ગુણધર્મો તપાસવા માટે આ ટેકનોલોજી અનિવાર્ય છે. સામાન્ય લોકો માટે કદાચ આ એક જટિલ મશીન લાગે, પરંતુ આપણે જે સ્માર્ટફોન વાપરીએ છીએ તેની અંદરની માઇક્રોચિપ્સની ડિઝાઇન અને ગુણવત્તા ચકાસવામાં SEM નો મોટો ફાળો છે. તે આપણને કુદરતની એવી અજાયબીઓ બતાવે છે જે આપણે ક્યારેય નરી આંખે જોઈ શક્યા ન હોત.
છેલ્લે, SEM ટેકનોલોજી હજુ પણ વિકસી રહી છે. નવા ફિલ્ડ એમિશન સોર્સ (field emission sources) ને કારણે હવે વધુ તેજસ્વી અને સ્થિર ઇલેક્ટ્રોન બીમ મેળવી શકાય છે, જે લાંબા સમય સુધી કામ કરી શકે છે. જેમ જેમ વિજ્ઞાન આગળ વધશે, તેમ તેમ આપણે નેનોમીટરની આ અદ્રશ્ય દુનિયાને વધુ ઊંડાણપૂર્વક અને વધુ સ્પષ્ટતાથી જોઈ શકીશું. SEM એ સાબિત કર્યું છે કે જો જોવાની દ્રષ્ટિ બદલાય (પ્રકાશને બદલે ઇલેક્ટ્રોન), તો આખું વિશ્વ બદલાઈ જાય છે.
