परमाणु की सतह को 'स्पर्श' करता विज्ञान: स्कैनिंग प्रोब माइक्रोस्कोपी की आर्किटेक्चर और कार्यपद्धति

मानव इतिहास में विज्ञान की प्रगति हमेशा हमारी देखने की क्षमता के साथ जुड़ी रही है। जब हमने कोशिकाओं को देखने के लिए ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप बनाए, तब जीवविज्ञान में क्रांति आई। लेकिन जब बात परमाणु (atom) स्तर पर पदार्थ को देखने की आई, तब प्रकाश की किरणें कम पड़ गईं। इस सीमा को तोड़ने के लिए १९८१ में आईबीएम (IBM) के वैज्ञानिकों गर्ड बिनीग (Gerd Binnig) और हेनरिक रोहरर (Heinrich Rohrer) ने एक ऐसी तकनीक विकसित की जो देखती नहीं है, बल्कि 'स्पर्श' करती है। यह तकनीक यानी स्कैनिंग प्रोब माइक्रोस्कोपी (Scanning Probe Microscopy - SPM)। यह खोज इतनी युगप्रवर्तक थी कि इसके लिए १९८६ में उन्हें भौतिकशास्त्र का नोबेल पुरस्कार दिया गया था।

स्कैनिंग प्रोब माइक्रोस्कोपी माइक्रोस्कोप का एक ऐसा परिवार है जो सतह की छवि बनाने के लिए भौतिक प्रोब (probe) यानी एक अत्यंत बारीक सुई का उपयोग करता है। यह प्रोब सतह पर स्कैनिंग करता है और उसके आधार पर डेटा एकत्र करता है। पारंपरिक माइक्रोस्कोप में लेंस और प्रकाश की किरणों का उपयोग होता है, जो डिफ्रैक्शन लिमिट (diffraction limit) यानी प्रकाश की तरंगों की सीमा के कारण तय हद से अधिक बारीकी से नहीं देख सकते। SPM इस सीमा को पार कर जाता है क्योंकि वह प्रकाश पर निर्भर नहीं है। इसकी रिजॉल्यूशन क्षमता इतनी अद्भुत है कि वह नेनोमीटर (nanometer) के दसवें हिस्से तक की डिटेल्स भी पकड़ सकता है।

इस माइक्रोस्कोप की कार्यपद्धति के पीछे का मुख्य रहस्य पीजोइलेक्ट्रिक एक्चुएटर्स (piezoelectric actuators) हैं। ये ऐसे उपकरण हैं जो इलेक्ट्रिक सिग्नल मिलते ही अत्यंत सूक्ष्म हलचल कर सकते हैं। यह हलचल परमाणु के आकार से भी छोटी हो सकती है। इन एक्चुएटर्स की मदद से प्रोब को सतह पर एक्स (x), वाई (y) और ज़ेड (z) दिशा में बहुत ही सटीकता से घुमाया जाता है। इस पूरी प्रक्रिया को रास्टर स्कैन (raster scan) कहा जाता है, जिसमें प्रोब सतह पर एक के बाद एक लाइन में घूमता है और हर बिंदु पर डेटा दर्ज करता है।

SPM परिवार में सबसे जाना-माना नाम एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (Atomic Force Microscopy - AFM) है। AFM की संरचना में एक कैंटिलीवर (cantilever) होता है, जो देखने में डाइविंग बोर्ड जैसा लगता है। इस कैंटिलीवर के छोर पर एक अत्यंत तीक्ष्ण टिप (tip) या सुई होती है। जब यह टिप सतह के करीब आती है, तब टिप और सतह के परमाणुओं के बीच विभिन्न प्रकार के बल काम करने लगते हैं। इन बलों में वैन डेर वाल बल (van der Waals forces), कैपिलरी बल और इलेक्ट्रोस्टेटिक बल शामिल हैं। इन बलों के कारण कैंटिलीवर मुड़ता है या विचलित होता है।

इस विचलन को मापने के लिए लेज़र सिस्टम का उपयोग किया जाता है। कैंटिलीवर की पिछली सतह पर लेज़र किरण डाली जाती है, जो परावर्तित होकर फोटो डिटेक्टर पर पड़ती है। यदि कैंटिलीवर ज़रा भी मुड़ता है, तो लेज़र की किरण का स्थान डिटेक्टर पर बदल जाता है। यह परिवर्तन इतना सूक्ष्म होता है कि इसे इलेक्ट्रिकल सिग्नल में बदलकर कंप्यूटर द्वारा सतह का नक्शा तैयार किया जा सकता है। इस तरह, एएफएम सतह को 'फील' करके इसकी थ्री-डी टोपोग्राफी यानी सतह की संरचना तैयार करता है।

एसपीएम की कार्यक्षमता के लिए फीडबैक लूप अत्यंत महत्वपूर्ण है। फीडबैक लूप एक ऐसी सिस्टम है जो प्रोब और सतह के बीच की दूरी को लगातार बनाए रखती है। सामान्यतः इसके लिए पीआई-लूप का उपयोग किया जाता है। जब प्रोब सतह पर के किसी ऊंचे हिस्से पर आता है, तब फीडबैक सिस्टम तुरंत प्रोब को थोड़ा ऊपर उठाती है ताकि वह सतह से टकरा न जाए। इस तरह प्रोब और सतह के बीच का बल या दूरी अचल रखी जाती है। प्रोब को ऊपर-नीचे करने के लिए जो वोल्टेज देना पड़ता है, उसी के आधार पर सतह की ऊंचाई तय होती है।

माइक्रोस्कोप की रिज़ॉल्यूशन क्षमता इस बात पर निर्भर करती है कि प्रोब की टिप कितनी तीक्ष्ण है। आदर्श रूप से, यदि हमें परमाणु स्तर का रिज़ॉल्यूशन चाहिए, तो टिप के सिरे पर केवल एक ही परमाणु होना चाहिए। यह टिप सामान्यतः सिलिकॉन या सिलिकॉन नाइट्राइड से बनाई जाती है। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप जैसे उपकरणों में प्लेटिनम-इरडियम या टंगस्टन वायर का उपयोग किया जाता है। इस वायर को इस तरह काटा या इलेक्ट्रोकेमिकल तरीके से एचिंग किया जाता है कि उसका सिरा अत्यंत नुकीला बने। यदि टिप कुंठित हो या उसके सिरे पर एक से अधिक नुकीले हिस्से हों, तो छवि में खामियां आ सकती हैं, जिसे घोस्ट इमेज कहा जाता है।

एसपीएम के मुख्य रूप से दो ऑपरेटिंग मोड होते हैं: कांस्टेंट इंटरेक्शन मोड और कांस्टेंट हाइट मोड। कांस्टेंट इंटरेक्शन मोड में, फीडबैक लूप चालू होता है और वह प्रोब को सतह की उतार-चढ़ाव के अनुसार ऊपर-नीचे करता है। यह मोड सुरक्षित है क्योंकि इसमें प्रोब के सतह से टकराने की संभावना कम होती है। दूसरी ओर, कांस्टेंट हाइट मोड में प्रोब को एक ही ऊंचाई पर रखकर स्कैन किया जाता है। इस मोड में स्कैनिंग तेजी से हो सकती है, लेकिन यदि सतह पर कोई अचानक ऊंचा हिस्सा आ जाए, तो प्रोब टूट जाने का खतरा रहता है। इसलिए इस मोड का उपयोग करने से पहले यह जांचना जरूरी है कि सतह कितनी सपाट है।

एएफएम में भी तीन उप-पद्धतियाँ हैं: कॉन्टैक्ट मोड, टैपिंग मोड और नॉन-कॉन्टैक्ट मोड। कॉन्टैक्ट मोड में टिप सतह को लगातार छूकर चलती है। टैपिंग मोड (tapping mode) में कैंटिलीवर को एक निश्चित आवृत्ति पर कंपन कराया जाता है, जिससे टिप सतह पर हल्के झटके मारते हुए चलती है। यह पद्धति नरम पदार्थों या जैविक नमूनों के लिए सबसे अच्छी है क्योंकि यह सतह को नुकसान नहीं पहुँचाती है। नॉन-कॉन्टैक्ट मोड में टिप सतह से थोड़ी दूर रहकर केवल परमाणु बलों के आधार पर डेटा प्राप्त करती है।

एसपीएम के फायदों की बात करें तो, यह केवल सतह की छवि ही नहीं बनाता, बल्कि पदार्थ के गुणधर्म भी माप सकता है। उदाहरण के लिए, मैग्नेटिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (MFM) द्वारा सतह पर मौजूद चुंबकीय क्षेत्रों को देखा जा सकता है, जबकि कंडक्टिव AFM (C-AFM) द्वारा सतह की विद्युत चालकता मापी जा सकती है। इसके अलावा, इस माइक्रोस्कोप का उपयोग करके परमाणुओं को एक जगह से दूसरी जगह हटाया जा सकता है, जिसे एटॉमिक मैनिपुलेशन (atomic manipulation) कहा जाता है। यह क्षमता नैनो-टेक्नोलॉजी में नए उपकरण बनाने के लिए आधारभूत है।

हालाँकि, एसपीएम की कुछ सीमाएँ भी हैं। इस पद्धति से छवि प्राप्त करने की प्रक्रिया काफी धीमी है क्योंकि प्रोब को पूरी सतह पर भौतिक रूप से घूमना पड़ता है। साथ ही, स्कैनिंग एरिया भी काफी छोटा होता है, आमतौर पर १०० माइक्रोमीटर से भी कम। समय के साथ सतह में होने वाले थर्मल ड्रिफ्ट (thermal drift) यानी तापमान के बदलाव के कारण होने वाले सूक्ष्म विस्तार के कारण भी माप में त्रुटियाँ आ सकती हैं। इसीलिए अत्यंत सटीकता वाले प्रयोगों के लिए अल्ट्रा-लो टेम्परेचर और वैक्यूम (vacuum) की स्थिति की आवश्यकता होती है।

आधुनिक विज्ञान में एसपीएम का उपयोग सेमीकंडक्टर उद्योग, बैटरी अनुसंधान और जीव विज्ञान में व्यापक रूप से होता है। कैंसर की कोशिकाओं और सामान्य कोशिकाओं के बीच की कठोरता (hardness) का अंतर मापने के लिए भी एएफएम का उपयोग किया जा रहा है। भारत में भी आईआईटी (IIT) और अन्य अनुसंधान संस्थानों में इस तकनीक का उपयोग नैनो-मटीरियल्स के अध्ययन के लिए किया जाता है। जैसे-जैसे सॉफ्टवेयर और एल्गोरिदम सुधरते जाते हैं, वैसे-वैसे इस माइक्रोस्कोप द्वारा मिलने वाले डेटा का विश्लेषण अधिक सटीक होता जाता है, जो हमें परमाणु की अदृश्य दुनिया के नए रहस्यों को खोलने में मदद करता है।