સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઇક્રોસ્કોપ: ક્વોન્ટમ ભૌતિકવિજ્ઞાનની મદદથી પરમાણુઓને જોવાની અને અડવાની અદભુત ટેકનોલોજી
ક્વોન્ટમ ટનલિંગની અનોખી ઘટનાનો ઉપયોગ કરીને દ્રવ્યના પાયાના એકમ એવા વ્યક્તિગત પરમાણુઓનું સપાટી પર ચોક્કસ ચિત્રણ કેવી રીતે શક્ય બન્યું તેની રસપ્રદ વિગત.
માનવ ઇતિહાસમાં સદીઓ સુધી પદાર્થના મૂળભૂત કણો એટલે કે પરમાણુઓને માત્ર ગણતરીઓ અને સિદ્ધાંતોમાં જ કલ્પી શકાતા હતા. પરંતુ ૧૯૮૧માં આ પરિદ્રશ્ય સંપૂર્ણપણે બદલાઈ ગયું જ્યારે IBM Zürich ખાતે કામ કરતા બે વૈજ્ઞાનિકો ગેર્ડ બિનિગ (Gerd Binnig) અને હેનરિક રોહરર (Heinrich Rohrer) દ્વારા સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઇક્રોસ્કોપ (Scanning Tunneling Microscope - STM) ની શોધ કરવામાં આવી. સામાન્ય ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપ પ્રકાશના તરંગલંબાઈની મર્યાદાને કારણે નેનોમીટર કક્ષાની વસ્તુઓ જોઈ શકતા નથી, જ્યારે STM એ પરમાણુના સ્તરે સપાટીનું ત્રિપરિમાણીય ચિત્ર આપવાની ક્ષમતા સાબિત કરી. આ યુગાંતરકારી શોધ માટે આ બંને સંશોધકોને ૧૯૮૬માં ભૌતિકશાસ્ત્રના નોબેલ પુરસ્કારથી સન્માનિત કરવામાં આવ્યા હતા.
આ માઇક્રોસ્કોપની શક્તિ એટલી અસાધારણ છે કે તે ૦.૧ નેનોમીટર (nm) કરતાં પણ નાની વિગતોને અલગ પારખી શકે છે અને તેની ઊંડાઈ માપવાની ક્ષમતા ૦.૦૧ નેનોમીટર એટલે કે ૧૦ પિકોમીટર (pm) જેટલી અતિસૂક્ષ્મ હોય છે. આ અતુલ્ય વિભેદન શક્તિ (resolution) ના કારણે વૈજ્ઞાનિકો સપાટી પર ગોઠવાયેલા વ્યક્તિગત પરમાણુઓને સ્પષ્ટ જોઈ શકે છે એટલું જ નહીં પરંતુ તેને પોતાની મરજી મુજબ ખસેડીને નવી રચનાઓ પણ બનાવી શકે છે. મોટાભાગના STM ઉપકરણો પરમ શૂન્ય તાપમાન (absolute zero) ની નજીકના અતિશય નીચા તાપમાને અને અલ્ટ્રા-હાઇ વેક્યૂમમાં ચલાવવામાં આવે છે, જોકે કેટલાક ખાસ સંસ્કરણો સામાન્ય હવા, પાણી અથવા ૧૦૦૦ °C થી વધુ તાપમાનમાં પણ કામ કરી શકે છે.
ક્વોન્ટમ ટનલિંગનો ચમત્કાર
સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઇક્રોસ્કોપની સમગ્ર કાર્યપદ્ધતિ ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના અત્યંત રસપ્રદ સિદ્ધાંત ક્વોન્ટમ ટનલિંગ (quantum tunneling) પર આધારિત છે. ક્લાસિકલ એટલે કે પ્રચલિત ભૌતિકશાસ્ત્ર મુજબ, જો કોઈ કણ પાસે પૂરતી ગતિઊર્જા ન હોય તો તે ઊર્જાના અવરોધને ઓળંગી શકતો નથી, જેમ કે ટેકરી ચડવા જેટલી ઊર્જા ન હોય તો દડો ટેકરીની બીજી તરફ જઈ શકતો નથી. પરંતુ ક્વોન્ટમ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં ઇલેક્ટ્રોન માત્ર કણ નથી પણ એક તરંગ પણ છે, જેને શ્રોડિન્જર સમીકરણ (Schrödinger equation) દ્વારા દર્શાવવામાં આવતા તરંગ વિધેય (wave function) વડે સમજાવી શકાય છે.
જ્યારે કોઈ વાહક પદાર્થની અત્યંત તીક્ષ્ણ સોય (tip) ને નમૂનાની સપાટીની ખૂબ જ નજીક લાવવામાં આવે છે અને બંને વચ્ચે થોડો વિદ્યુત વોલ્ટેજ (bias voltage) લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચે રહેલા શૂન્યાવકાશના અવરોધમાંથી અદ્રશ્ય સુરંગ બનાવીને બીજી તરફ કૂદી પડે છે. આ પ્રક્રિયાથી જે અતિસૂક્ષ્મ વિદ્યુતપ્રવાહ વહે છે તેને ટનલિંગ કરન્ટ (tunneling current) કહે છે, જે સબ-નેનોએમ્પીયરના પ્રમાણમાં હોય છે. આ ટનલિંગ કરન્ટ સોય અને સપાટી વચ્ચેના અંતર પર ઘાતાંકીય (exponential) રીતે આધાર રાખે છે; જો અંતરમાં પરમાણુના વ્યાસ જેટલો પણ ફેરફાર થાય તો વિદ્યુતપ્રવાહમાં મોટો ઉછાળો કે ઘટાડો નોંધાય છે.
- સોયની ગોઠવણીઅત્યંત તીક્ષ્ણ ધાતુની સોયને નમૂનાની સપાટીથી ૦.૪ થી ૦.૭ નેનોમીટર જેટલા અતિસૂક્ષ્મ અંતરે લાવવામાં આવે છે.
- વોલ્ટેજ અને ટનલિંગસોય અને નમૂના વચ્ચે વિદ્યુત વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે, જેથી ઇલેક્ટ્રોન ક્વોન્ટમ ટનલિંગ દ્વારા શૂન્યાવકાશના અવરોધને ઓળંગીને વહેવા લાગે છે.
- સ્કેનિંગ અને ડેટાસોય સપાટી પર આડી-ઊભી ગતિ કરે છે, અને ટનલિંગ કરન્ટમાં થતા ફેરફારોને માપીને સપાટીની ત્રિપરિમાણીય છબી તૈયાર કરવામાં આવે છે.
- ૧. પ્રાથમિક નિકટતા (Coarse Approach)યાંત્રિક કંટ્રોલ દ્વારા અત્યંત પાતળી વાહક સોયને નમૂનાની સપાટીથી ખૂબ નજીક લાવવામાં આવે છે.
- ૨. પિઝોઇલેક્ટ્રિક સૂક્ષ્મ નિયંત્રણપિઝોઇલેક્ટ્રિક ટ્યુબને વોલ્ટેજ આપી સોયને સપાટીથી ૪ થી ૭ એંગસ્ટ્રોમના ચોક્કસ અંતરે ગોઠવાય છે.
- ૩. બાયસ વોલ્ટેજ અને ટનલિંગવોલ્ટેજ લાગુ પડતાં ઇલેક્ટ્રોન શૂન્યાવકાશમાંથી ક્વોન્ટમ ટનલિંગ દ્વારા સોય તરફ વહે છે અને સબ-નેનોએમ્પીયર કરન્ટ બને છે.
- ૪. રાસ્ટર સ્કેનિંગ અને ફીડબેકસોય સપાટી પર x-y દિશામાં ફરે છે અને ફીડબેક સિસ્ટમ કરન્ટ અથવા ઊંચાઈના ફેરફારોને રેકોર્ડ કરે છે.
- ૫. ત્રિપરિમાણીય ઇમેજ નિર્માણકમ્પ્યુટર દરેક ગ્રીડ પોઇન્ટના ડેટાને જોડીને પરમાણુ સ્તરનું સચોટ ડિજિટલ ટોપોગ્રાફિક ચિત્ર રજૂ કરે છે.
સ્કેનિંગ મિકેનિઝમ અને પિઝોઇલેક્ટ્રિક સિસ્ટમ
આ ઉપકરણમાં સપાટીની ઉપર સોયને ફેરવવાનું કામ અત્યંત નાજુક અને ચોકસાઈભર્યું હોય છે. સોય અને નમૂના વચ્ચેનું અંતર સામાન્ય રીતે ૪ થી ૭ એંગસ્ટ્રોમ (Å) એટલે કે ૦.૪ થી ૦.૭ નેનોમીટર જેટલું જાળવવામાં આવે છે. આ અંતર એવું હોય છે જ્યાં બંને વચ્ચે આકર્ષણ બળ પ્રવર્તે છે (૩ થી ૧૦ Å વચ્ચે), પરંતુ ૩ Å થી ઓછું અંતર થઈ જાય તો અપાકર્ષણ બળ લાગવા માંડે છે અને સોય સપાટી સાથે અથડાઈને તૂટી જવાનું જોખમ ઊભું થાય છે.
આટલા નાજુક અંતરે સોયને ચોકસાઈથી નિયંત્રિત કરવા માટે પિઝોઇલેક્ટ્રિક સ્કેનર ટ્યુબ (piezoelectric scanner tube) નો ઉપયોગ થાય છે. પિઝોઇલેક્ટ્રિક દ્રવ્યો એવા ખાસ પદાર્થો છે જેમના પર વોલ્ટેજ આપવાથી તેમના આકાર અથવા લંબાઈમાં નેનોમીટર સ્તરે સંકોચન કે વિસ્તરણ થાય છે. STM માં સામાન્ય રીતે લીડ ઝિર્કોનેટ ટાઇટેનેટ સિરામિકની બનેલી નળી વપરાય છે, જેનો પિઝોઇલેક્ટ્રિક ગુણાંક આશરે ૫ નેનોમીટર પ્રતિ વોલ્ટ હોય છે. આ નળીની બહારની સપાટી પર ચાર ધાતુના ઇલેક્ટ્રોડ લગાવેલા હોય છે જે સોયને x અને y દિશામાં આગળ-પાછળ ચલાવે છે, જ્યારે આંતરિક ભાગ તેને ઊંચાઈ એટલે કે z દિશામાં નિયંત્રિત કરે છે.
ઇમેજિંગ પદ્ધતિઓ: કરન્ટ અને હાઇટ મોડ
STM દ્વારા જ્યારે સપાટીનું સ્કેનિંગ કરવામાં આવે છે ત્યારે ડિજિટલ છબી મુખ્યત્વે બે પદ્ધતિઓ દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવે છે: કોન્સ્ટન્ટ-કરન્ટ મોડ (constant-current mode) અને કોન્સ્ટન્ટ-હાઇટ મોડ (constant-height mode). કોન્સ્ટન્ટ-કરન્ટ મોડમાં, ફીડબેક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સતત ટનલિંગ કરન્ટને એક નિશ્ચિત મૂલ્ય પર જાળવી રાખવા માટે z-દિશાના પિઝોઇલેક્ટ્રિક વોલ્ટેજને બદલતી રહે છે. જો સપાટી પર કોઈ પરમાણુ ઊંચો આવે તો કરન્ટ વધવા લાગે છે, જેથી ફીડબેક લૂપ સોયને થોડી ઊંચે લઈ જાય છે. આ મોડ થોડો ધીમો છે કારણ કે દરેક બિંદુએ ફીડબેક ગોઠવવો પડે છે, પરંતુ તે અસમાન સપાટીઓ માટે અત્યંત સલામત છે અને તેમાં સપાટીની ટોપોગ્રાફી તેમજ ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા બંનેની માહિતી મળે છે.
બીજી તરફ, કોન્સ્ટન્ટ-હાઇટ મોડમાં સોયની z ઊંચાઈ સ્થિર રાખવામાં આવે છે અને સપાટી પર ઝડપથી આડી-ઊભી ફેરવવામાં આવે છે. સપાટીના ખાડા-ટેકરા અનુસાર ટનલિંગ કરન્ટમાં જે ઝડપી ફેરફારો થાય છે તેને સીધા માપીને નકશો તૈયાર કરાય છે. આ મોડ ઘણો ઝડપી છે પરંતુ જો સપાટી પર અચાનક મોટો અણુ કે ઊંચો ટેકરો આવી જાય તો સોય અથડાઈ જવાનું મોટું જોખમ રહે છે. સમગ્ર સ્કેનિંગ પ્રક્રિયા ૧૨૮×૧૨૮ થી માંડીને ૧૦૨૪×૧૦૨૪ કે તેથી વધુ બિંદુઓના ગ્રીડમાં થાય છે, જેથી ઉત્પન્ન થતી મૂળ છબી બ્લેક એન્ડ વ્હાઇટ (ગ્રેસ્કેલ) હોય છે અને તેમાં કલર માત્ર વિશ્લેષણ માટે પાછળથી ઉમેરવામાં આવે છે.
આ પદ્ધતિની મદદથી મેળવેલી સપાટીની વાસ્તવિક તસવીરો પરમાણુઓની નિયમિત હારમાળા દર્શાવે છે. સ્ફટિકીય ધાતુઓ જેવી કે સોનાની સપાટી પર પરમાણુઓનું ગોઠવણનું અદભુત દ્રશ્ય આ ટેકનોલોજી દ્વારા જ પ્રથમ વખત શક્ય બન્યું હતું.
| માપદંડ | કોન્સ્ટન્ટ-કરન્ટ મોડ | કોન્સ્ટન્ટ-હાઇટ મોડ |
|---|---|---|
| ટનલિંગ કરન્ટ | ફીડબેક દ્વારા સ્થિર રખાય છે | સ્થાન અનુસાર સતત બદલાય છે |
| સોયની ઊંચાઈ (z) | સપાટી મુજબ સતત બદલાય છે | સંપૂર્ણ સ્કેન દરમિયાન સ્થિર રહે છે |
| સ્કેનિંગ ઝડપ | ધીમી (ફીડબેક લૂપના કારણે) | ખૂબ જ ઝડપી |
| સોય અથડાવાનું જોખમ | અત્યંત ઓછું અને સલામત | ખરબચડી સપાટી પર વધુ જોખમ |
| ડેટા પ્રકાર | ટોપોગ્રાફી અને ચાર્જ ઘનતા | ટનલિંગ કરન્ટમાં સીધો ફેરફાર |
સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને પરમાણુઓની હેરફેર
માત્ર સપાટીનો આકાર જોવો એ STM ની એકમાત્ર ખૂબી નથી. સ્કેનિંગ ટનલિંગ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (Scanning Tunneling Spectroscopy - STS) નામની અદ્યતન પદ્ધતિમાં સોયને કોઈ એક ચોક્કસ પરમાણુ કે અશુદ્ધિની બરાબર ઉપર સ્થિર રાખીને વોલ્ટેજમાં ફેરફાર કરવામાં આવે છે અને કરન્ટનું માપન થાય છે. આ પ્રક્રિયા દ્વારા લોકલ ડેન્સિટી ઓફ સ્ટેટ્સ (LDOS) એટલે કે નમૂનામાં વિવિધ ઊર્જા સ્તરે ઇલેક્ટ્રોનની ઉપલબ્ધતા વિશે જાણી શકાય છે, જે ક્વોન્ટમ કક્ષાએ સામગ્રીના ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો સમજવામાં ક્રાંતિકારી સાબિત થઈ છે.
આ ઉપરાંત, STM ની સોયનો ઉપયોગ એક નાનકડા ચીપિયા (tweezer) ની જેમ કરીને સપાટી પર રહેલા એકલ-દોકલ પરમાણુઓ કે અણુઓને ખસેડી શકાય છે. જ્યારે સોયને પરમાણુની અત્યંત નજીક લાવીને ઊંચો વોલ્ટેજ આપવામાં આવે છે, ત્યારે તે પરમાણુને પોતાની સાથે આકર્ષીને ઇચ્છિત સ્થાને મૂકી શકે છે. વૈજ્ઞાનિકોએ કાર્બન મોનોક્સાઇડ જેવા અણુઓને સપાટી પર ગોઠવીને વિવિધ લોગો અને અક્ષરો તૈયાર કરીને નેનો-ટેકનોલોજીની અસીમ ક્ષમતાઓ સાબિત કરી બતાવી છે.
સપાટી પર વિવિધ ધાતુઓના પરમાણુઓ કેવી રીતે એકઠા થાય છે અને સંરચનાઓ બનાવે છે તે સમજવામાં પણ STM ખૂબ ઉપયોગી નીવડ્યું છે. ઉદાહરણ તરીકે, સપાટી પર ચાંદીના પરમાણુઓના નાના દ્વીપ (nanoscale islands) નું નિર્માણ આ ઉપકરણ દ્વારા સ્પષ્ટ જોઈ શકાય છે.
યાંત્રિક પડકારો અને વિશિષ્ટ સંશોધનો
સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઇક્રોસ્કોપી સફળતાપૂર્વક ચલાવવી એ ઇજનેરી ક્ષેત્રે મોટો પડકાર છે, કારણ કે મકાનમાં ચાલતા પંખા કે બહાર રસ્તા પરથી પસાર થતી ગાડીના ધ્રુજારી પણ સોયને સપાટી સાથે અથડાવી શકે છે. તેથી ઉત્તમ વાઇબ્રેશન આઇસોલેશન (ધ્રુજારી નિયંત્રણ) અનિવાર્ય છે. બિનિગ અને રોહરરે તેમના પ્રથમ સાધનમાં મેગ્નેટિક લેવિટેશન (ચુંબકીય તરલતા) નો ઉપયોગ કર્યો હતો, જ્યારે આજના આધુનિક સાધનોમાં યાંત્રિક સ્પ્રિંગ, ગેસ સ્પ્રિંગ અને એડી-કરન્ટ ડેમ્પિંગ વપરાય છે.
અતિસંવેદનશીલ પ્રયોગો માટે આ માઇક્રોસ્કોપ્સને અવાજ અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો મુક્ત એવા ખાસ કોંક્રિટના એનિકોઇક ચેમ્બર (anechoic chambers) માં મૂકવામાં આવે છે. સોય બનાવવા માટે ટંગસ્ટન (tungsten) અથવા પ્લેટિનમ-ઇરિડિયમ (platinum-iridium) ના તારનો ઉપયોગ થાય છે, જેને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એચિંગ વડે છેડેથી એટલો તીક્ષ્ણ બનાવાય છે કે તેના છેડા પર માત્ર એક જ પરમાણુ રહે. આજના અદ્યતન હાઇ-સ્પીડ વિડીયો-રેટ STM ઉપકરણો ૮૦ Hz ના ફ્રેમ રેટ પર સપાટી પર ચાલતી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ અને પરમાણુ પ્રસરણનું જીવંત રેકોર્ડિંગ કરવા સક્ષમ બન્યા છે.
