অ্যাটম প্রোব

অ্যাটম প্রোব ১৯৬৭ সালে ১৪তম ফিল্ড এমিশন সিম্পোজিয়ামে এরউইন উইলহেম মুলার এবং জে. এ. প্যানিটজ প্রথম উপস্থাপন করেন। এটি একটি ফিল্ড আয়ন মাইক্রোস্কোপ এবং একক কণা শনাক্তকরণ ক্ষমতাসম্পন্ন একটি ভর বর্ণালীমাপকের (mass spectrometer) সমন্বয়ে গঠিত। প্রথমবারের মতো এর মাধ্যমে এমন একটি যন্ত্র তৈরি করা সম্ভব হয়েছিল যা, "...ধাতব পৃষ্ঠে দৃশ্যমান একটি একক পরমাণুর প্রকৃতি নির্ধারণ করতে পারত এবং পর্যবেক্ষকের ইচ্ছানুযায়ী পার্শ্ববর্তী পরমাণুগুলো থেকে সেটিকে আলাদা করতে পারত"।

অ্যাটম প্রোব প্রচলিত আলোকীয় বা ইলেকট্রন অণুবীক্ষণ যন্ত্রের মতো নয়; এতে বিকিরণ পথের পরিবর্তনের পরিবর্তে অত্যন্ত বাঁকানো একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের মাধ্যমে বিবর্ধন (magnification) করা হয়। এটি একটি ধ্বংসাত্মক পদ্ধতি, যেখানে নমুনার পৃষ্ঠ থেকে আয়ন সরিয়ে সেগুলোর চিত্র তৈরি ও শনাক্ত করা হয়। এতে পরমাণুগুলোকে নমুনার পৃষ্ঠ থেকে সরানোর সময় সরাসরি পর্যবেক্ষণ করার মতো যথেষ্ট বিবর্ধন তৈরি করা যায়। এই বিবর্ধন পদ্ধতির সাথে টাইম-অফ-ফ্লাইট ভর বর্ণালীমিতি যুক্ত করার ফলে, বৈদ্যুতিক স্পন্দনের মাধ্যমে নির্গত আয়নগুলোর ভর-চার্জ অনুপাত গণনা করা সম্ভব হয়।

উপাদানের ক্রমাগত বাষ্পীভবনের মাধ্যমে একটি নমুনা থেকে পরমাণুর স্তরগুলো সরিয়ে ফেলা হয়, যা কেবল পৃষ্ঠ নয় বরং পুরো উপাদানের অভ্যন্তরভাগ পর্যবেক্ষণের সুযোগ দেয়। বাষ্পীভূত হওয়ার আগে নমুনার গঠন কেমন ছিল তা পুনর্গঠন করতে কম্পিউটার পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়, যা নমুনার গঠন সম্পর্কে পারমাণবিক স্তরের তথ্য এবং পরমাণুর প্রজাতি বা ধরন সম্পর্কে জ্ঞান প্রদান করে। এই যন্ত্রটি একটি সূক্ষ্ম অগ্রভাগ থেকে প্রায় ১০০ কোটি (বিলিয়ন) পর্যন্ত পরমাণুর ত্রিমাত্রিক পুনর্গঠন করতে সক্ষম (যা ১০,০০০-১০,০০০,০০০ ন্যানোমিটার৩ আয়তনের সমতুল্য)।

 পরিচিতি 
অ্যাটম প্রোবের নমুনাগুলোকে এমনভাবে তৈরি করা হয় যাতে লেন্সের (যেমন চৌম্বক লেন্স) সরাসরি ব্যবহারের পরিবর্তে বৈদ্যুতিক বিভবের মাধ্যমে বিবর্ধন সৃষ্টি করা যায়। এছাড়া, সাধারণ কার্যপদ্ধতিতে (ফিল্ড আয়নায়ন মোড বাদে) অ্যাটম প্রোব নমুনাটি পর্যবেক্ষণের জন্য কোনো গৌণ উৎস ব্যবহার করে না। বরং, নমুনাটিকে নিয়ন্ত্রিতভাবে বাষ্পীভূত করা হয় (ফিল্ড ইভাপোরেশন) এবং নির্গত আয়নগুলো ১০ থেকে ১০০ সেন্টিমিটার দূরে অবস্থিত একটি ডিটেক্টরে আঘাত করে।

নমুনাগুলো সুঁইয়ের মতো আকৃতির হতে হয় এবং এগুলো টিইএম (TEM) নমুনা তৈরির কৌশল যেমন ইলেক্ট্রোপলিশিং বা ফোকাসড আয়ন বিম পদ্ধতিতে তৈরি করা হয়। ২০০৬ সাল থেকে লেজার পালসিং যুক্ত বাণিজ্যিক সিস্টেম বাজারে আসার ফলে এর ব্যবহার কেবল ধাতব নমুনা থেকে অর্ধপরিবাহী, সিরামিকের মতো অন্তরক এবং এমনকি ভূতাত্ত্বিক উপাদানেও বিস্তৃত হয়েছে। উচ্চ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরির জন্য সাধারণত হাতে কলমে নমুনার অগ্রভাগকে প্রায় ১০০ ন্যানোমিটার ব্যাসার্ধের মতো সূক্ষ্ম করা হয়।

অ্যাটম প্রোব পরীক্ষা চালানোর জন্য একটি সুঁই আকৃতির সূক্ষ্ম নমুনাকে অতি-উচ্চ শূন্যস্থান (আল্ট্রা হাই ভ্যাকুয়াম) চেম্বারে রাখা হয়। শূন্যস্থান তৈরির পর নমুনাটিকে ক্রায়োজেনিক তাপমাত্রায় (সাধারণত ২০-১০০ কেলভিন) শীতল করা হয় এবং এমনভাবে স্থাপন করা হয় যাতে সুঁইয়ের ডগাটি আয়ন ডিটেক্টরের দিকে মুখ করে থাকে। এরপর নমুনাটিতে উচ্চ ভোল্টেজ প্রয়োগ করা হয় এবং একটি কাউন্টার ইলেকট্রোডে লেজার পালস বা ভোল্টেজ পালস (সাধারণত ১-২ কিলোভোল্ট) প্রয়োগ করা হয়। এই স্পন্দনের ফলে নমুনার পৃষ্ঠ থেকে নির্দিষ্ট সময়ে একক পরমাণু আয়ন হিসেবে নির্গত হয়। সাধারণত কম্পিউটার স্পন্দনের প্রশস্ততা এবং উচ্চ ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ করে যাতে একবারে একটিমাত্র পরমাণু আয়নিত হয়, তবে একাধিক আয়নকরণও ঘটতে পারে। স্পন্দন প্রয়োগ এবং ডিটেক্টরে আয়ন পৌঁছানোর সময়ের পার্থক্য থেকে ভর-চার্জ অনুপাত গণনা করা হয়।

অ্যাটম প্রোবে টাইম-অফ-ফ্লাইট পদ্ধতিতে গণনা করা পারমাণবিক ভরের অনিশ্চয়তা খুবই কম, যা পদার্থের ভেতরে একক আইসোটোপ শনাক্ত করতে সক্ষম। তবে কিছু ক্ষেত্রে এই অনিশ্চয়তা পারমাণবিক প্রজাতি শনাক্তকরণে বিভ্রান্তি তৈরি করতে পারে। যেমন—একাধিক ইলেকট্রন বর্জিত বিভিন্ন আয়নের উপরিপাতন (superposition) অথবা বাষ্পীভবনের সময় জটিল যৌগ গঠনের ফলে দুই বা ততোধিক প্রজাতির আয়নের উড্ডয়নকাল (time-of-flight) খুব কাছাকাছি হতে পারে, যা নিশ্চিত শনাক্তকরণ অসম্ভব করে তোলে।

 ইতিহাস 
 ফিল্ড আয়ন মাইক্রোস্কোপি 

ফিল্ড আয়ন মাইক্রোস্কোপি হলো ফিল্ড এমিশন মাইক্রোস্কোপির একটি উন্নত রূপ। এখানে একটি সুঁইয়ের মতো সূক্ষ্ম ক্যাথোড ডগা থেকে অত্যন্ত উচ্চ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের (~৩-৬ ভোল্ট/ন্যানোমিটার) প্রভাবে টানেলিং ইলেকট্রনের প্রবাহ নির্গত হয়। সূক্ষ্ম ডগাটির ওয়ার্ক ফাংশনের একটি প্রক্ষিপ্ত চিত্র তৈরি করতে সুঁইটিকে একটি ফসফর পর্দার দিকে তাক করা থাকে। কোয়ান্টাম মেকানিক্যাল প্রভাব এবং ইলেকট্রনের বেগের পার্থক্যের কারণে এই চিত্রের রেজোলিউশন ২-২.৫ ন্যানোমিটারে সীমাবদ্ধ থাকে।

ফিল্ড আয়ন মাইক্রোস্কোপিতে ডগাটিকে ক্রায়োজেনের মাধ্যমে শীতল করা হয় এবং এর মেরুত্ব (polarity) উল্টে দেওয়া হয়। যখন নিম্ন চাপে (< ০.১ প্যাস্কেল) একটি 'ইমেজিং গ্যাস' (সাধারণত হাইড্রোজেন বা হিলিয়াম) প্রবর্তন করা হয়, তখন ডগার অগ্রভাগের উচ্চ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে গ্যাসের আয়নগুলি 'ফিল্ড আয়োনাইজড' হয় এবং ডগায় থাকা পরমাণুগুলোর একটি প্রক্ষিপ্ত চিত্র তৈরি করে। এই চিত্রের রেজোলিউশন মূলত ডগার তাপমাত্রার ওপর নির্ভর করে, তবে ৭৮ কেলভিনেও পারমাণবিক রেজোলিউশন অর্জন করা সম্ভব।

 ১০-সেমি অ্যাটম প্রোব 
১০-সেমি অ্যাটম প্রোব ১৯৭৩ সালে জে. এ. প্যানিটজ আবিষ্কার করেন। এটি ছিল একটি "নতুন এবং সহজ অ্যাটম প্রোব যা দ্রুত প্রজাতির শনাক্তকরণ বা পরমাণু-বাই-পরমাণু বিশ্লেষণের সুবিধা দিত... দুই লিটারেরও কম আয়তনের এই যন্ত্রে নমুনার ডগা নাড়ানোর প্রয়োজন ছিল না এবং আগের নকশাগুলোর বাষ্পীভবন পালস স্থিতিশীলতা ও সারিবদ্ধকরণের সমস্যাগুলো দূর করা হয়েছিল।" একটি টাইম-অফ-ফ্লাইট (TOF) ভর বর্ণালীমাপকের সাথে ডুয়াল চ্যানেল প্লেট ডিটেক্টর এবং ১১.৮ সেমি ড্রিফট রিজিয়ন ব্যবহার করে এটি তৈরি করা হয়েছিল। ১০-সেমি অ্যাটম প্রোবকে পরবর্তীকালের বাণিজ্যিক অ্যাটম প্রোবগুলোর পূর্বসূরি বা 'আদি রূপ' বলা হয়।

 ইমেজিং অ্যাটম প্রোব 
ইমেজিং অ্যাটম-প্রোব (IAP) ১৯৭৪ সালে জে. এ. প্যানিটজ প্রবর্তন করেন। এতে ১০-সেমি অ্যাটম-প্রোবের বৈশিষ্ট্যগুলো থাকলেও এটি আগের অ্যাটম প্রোব দর্শনের চেয়ে সম্পূর্ণ ভিন্ন ছিল। কোনো নির্দিষ্ট আয়ন-ইমেজ স্পট থেকে প্রজাতির পরিচয় জানার পরিবর্তে, এটি নির্দিষ্ট ভর-চার্জ অনুপাতের পৃষ্ঠ প্রজাতির সম্পূর্ণ ক্রিস্টালোগ্রাফিক বিন্যাস নির্ধারণ করতে পারত। ১৯৭৫ সালে এটি ফিল্ড ডেসরপশন স্পেকট্রোমিটার হিসেবে পেটেন্ট করা হয়। 'ইমেজিং অ্যাটম-প্রোব' নামটি ১৯৭৮ সালে এ. জে. ওয়াহ প্রবর্তন করেন।

 অ্যাটম প্রোব টোমোগ্রাফি (APT) 
আধুনিক অ্যাটম প্রোব টোমোগ্রাফি পরমাণুর পার্শ্বীয় অবস্থান নির্ণয় করতে পজিশন-সেনসিটিভ ডিটেক্টর ব্যবহার করে। জে. এ. প্যানিটজের পেটেন্ট দ্বারা অনুপ্রাণিত হয়ে ১৯৮৩ সালে মাইক মিলার এই ধারণাটি উন্নত করেন এবং ১৯৮৬ সালে প্রথম প্রোটোটাইপ তৈরি করেন। পরবর্তীতে ১৯৮৮ সালে অক্সফোর্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের আলফ্রেড সেরেজো, টেরেন্স গডফ্রে এবং জর্জ ডি. ডব্লিউ. স্মিথ পজিশন-সেনসিটিভ (PoS) ডিটেক্টর ব্যবহারের মাধ্যমে একে আরও পরিশীলিত করেন। টোমোগ্রাফিক অ্যাটম প্রোব (TAP) ১৯৯৩ সালে ফ্রান্সের রুয়েন বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষকরা তৈরি করেন, যা মাল্টি-চ্যানেল টাইমিং সিস্টেম যুক্ত করেছিল। পরবর্তীতে ২০০৩ সালে 'লোকাল ইলেকট্রোড অ্যাটম প্রোব' এবং ২০০৫ সালে পালসড লেজার অ্যাটম প্রোব (PLAP) আসার ফলে এর মাধ্যমে ধাতু ছাড়াও অর্ধপরিবাহী এবং অন্তরক পদার্থের গবেষণা সম্ভব হয়। AMETEK ২০০৭ সালে CAMECA এবং ২০১০ সালে ইমাগো সায়েন্টিফিক ইনস্ট্রুমেন্টস অধিগ্রহণ করে, যার ফলে ২০১৯ সাল পর্যন্ত তারা বিশ্বব্যাপী ১১০টিরও বেশি যন্ত্র স্থাপন করে এই ক্ষেত্রের একমাত্র বাণিজ্যিক প্রতিষ্ঠানে পরিণত হয়।

অ্যাটম প্রোব টোমোগ্রাফির প্রথম কয়েক দশক মূলত ধাতব পদার্থে সীমাবদ্ধ ছিল। তবে লেজার পালসড সিস্টেমের উদ্ভাবনের ফলে এর প্রয়োগ অর্ধপরিবাহী, সিরামিক, ভূতাত্ত্বিক এবং এমনকি জৈব পদার্থের ক্ষেত্রেও বিস্তৃত হয়েছে। এখন পর্যন্ত জৈব পদার্থের ওপর সবচেয়ে উন্নত গবেষণায় কাইটন (chiton) নামক সামুদ্রিক প্রাণীর দাঁতের রাসায়নিক গঠন বিশ্লেষণ করা হয়েছে। এই গবেষণায় কাইটনের দাঁতে ন্যানো-ক্রিস্টালাইন ম্যাগনেটাইটের মধ্যে জৈব তন্তুর রাসায়নিক মানচিত্র তৈরি করা সম্ভব হয়েছে। এছাড়া হাতির দাঁত, ডেন্টিন এবং মানুষের দাঁতের এনামেল নিয়েও গবেষণা পরিচালিত হয়েছে।

 তত্ত্ব 
 ফিল্ড ইভাপোরেশন 
ফিল্ড ইভাপোরেশন বা ক্ষেত্র বাষ্পীভবন হলো এমন একটি প্রভাব যা ঘটে যখন কোনো উপাদানের পৃষ্ঠে থাকা একটি পরমাণু যথেষ্ট উচ্চ এবং যথাযথভাবে নির্দেশিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের উপস্থিতিতে থাকে। যখন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রটি পৃষ্ঠের পারমাণবিক বন্ধন কাটিয়ে ওঠার মতো শক্তিশালী হয়, তখন পরমাণুটি বাষ্পীভূত হয়ে আয়ন হিসেবে নির্গত হয়।

 আয়ন উড্ডয়ন 
উপাদান থেকে বাষ্পীভূত বা গ্যাস থেকে আয়নিত—যেকোনোভাবেই হোক না কেন, নির্গত আয়নগুলি ইলেকট্রোস্ট্যাটিক বলের মাধ্যমে ত্বরান্বিত হয় এবং নমুনার ডগার খুব কাছ থেকেই তাদের অধিকাংশ শক্তি অর্জন করে।

পরবর্তীতে যেকোনো আয়নের ওপর ত্বরণ বল ইলেকট্রোস্ট্যাটিক সমীকরণ দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়, যেখানে n হলো আয়নের আয়নকরণ অবস্থা এবং e হলো মৌলিক বৈদ্যুতিক চার্জ।

নিউটনের দ্বিতীয় সূত্র (F=ma) অনুযায়ী এটিকে আয়নের ভর m-এর সাথে সম্পর্কিত করা যায়:

আয়ন উড্ডয়নে আপেক্ষিক প্রভাবগুলো (relativistic effects) সাধারণত উপেক্ষা করা হয়, কারণ আয়নের গতি আলোর গতির তুলনায় অত্যন্ত নগণ্য।

ধরা যাক, আয়নটি খুব অল্প সময়ের মধ্যে ত্বরান্বিত হয়, তাই একে ধ্রুব বেগে ভ্রমণরত বলে ধরে নেওয়া যেতে পারে। যেহেতু আয়নটি V1 ভোল্টেজের ডগা থেকে শূন্য বিভবের দিকে যাবে, তাই এর গতিবেগ আয়নকরণের সময় অর্জিত শক্তি থেকে পরিমাপ করা যায়। আয়নের গতিবেগ নিচের সমীকরণ দ্বারা গণনা করা যায়, যা গতিশক্তিকে বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের কারণে অর্জিত শক্তির সাথে সম্পর্কিত করে:

এখানে U হলো আয়নের গতিবেগ। U-এর মান বের করলে আমরা পাই:

ধরা যাক, একটি নির্দিষ্ট ভোল্টেজে একক চার্জযুক্ত হাইড্রোজেন আয়ন ১০ কিলোভোল্টে ১.৪x১০৬ মি./সে. বেগ অর্জন করে। একই অবস্থায় একটি একক চার্জযুক্ত ডিউটেরিয়াম আয়ন প্রায় ১.৪x১০৬/১.৪১ মি./সে. বেগ অর্জন করবে। যদি ডিটেক্টরটি ১ মিটার দূরে থাকে, তবে আয়নের পৌঁছানোর সময় হবে ১/১.৪x১০৬ এবং ১.৪১/১.৪x১০৬ সেকেন্ড। এইভাবে, বাষ্পীভবনের সময় জানা থাকলে আয়ন পৌঁছানোর সময় থেকে আয়নের ধরন শনাক্ত করা সম্ভব।

উপরের সমীকরণটি সাজিয়ে পাই:

যদি উড্ডয়ন দূরত্ব f এবং সময় t জানা থাকে,

এই মানগুলো বসিয়ে আয়নের ভর-চার্জ অনুপাত পাওয়া যায়:

উদাহরণস্বরূপ, একটি আয়ন যদি ১ মিটার পথ ২০০০ ন্যানোসেকেন্ডে অতিক্রম করে এবং প্রাথমিক ভোল্টেজ ৫০০০ ভোল্ট হয়, তবে এর ভর-চার্জ অনুপাত দাঁড়ায় প্রায় ৩.৮৬ amu/charge। কতগুলো ইলেকট্রন অপসারিত হয়েছে বা মোট ধনাত্মক চার্জ কত, তা সরাসরি জানা না গেলেও সংগৃহীত আয়নের হিস্টোগ্রাম (বর্ণালী) থেকে তা অনুমান করা যায়।

 বিবর্ধন 
অ্যাটম প্রোবে বিবর্ধন ঘটে অত্যন্ত সূক্ষ্ম ডগা (tip) থেকে আয়নসমূহ ব্যাসার্ধ বরাবর বাইরের দিকে নিক্ষিপ্ত হওয়ার ফলে। পরবর্তীতে, ডগা থেকে দূরে (far-field) আয়নগুলো ব্যাপকভাবে বিবর্ধিত হয়। এই বিবর্ধন একক পরমাণুর কারণে সৃষ্ট ক্ষেত্রের পরিবর্তন (field variation) পর্যবেক্ষণের জন্য যথেষ্ট, যা ফিল্ড আয়ন এবং ফিল্ড বাষ্পীভবন মোডের মাধ্যমে একক পরমাণুর চিত্র ধারণ করতে সাহায্য করে।

অ্যাটম প্রোবের জন্য আদর্শ প্রক্ষেপণ মডেলটি একটি নির্গতকারীর জ্যামিতির ওপর ভিত্তি করে তৈরি, যা কোনো কনিক সেকশন (যেমন গোলক, অধিবৃত্ত বা পরাবৃত্ত)-এর আবর্তনের ওপর নির্ভরশীল। এই ধরণের টিপ মডেলের ক্ষেত্রে ক্ষেত্রটির সমাধান গাণিতিকভাবে বা কাছাকাছি মানের মাধ্যমে বের করা সম্ভব। একটি গোলাকার নির্গতকারীর ক্ষেত্রে বিবর্ধন ডগার ব্যাসার্ধের ব্যস্তানুপাতিক হয়। একটি গোলাকার পর্দায় সরাসরি প্রক্ষেপণের ক্ষেত্রে জ্যামিতিকভাবে নিচের সমীকরণটি পাওয়া যায়:

এখানে rscreen হলো ডগার কেন্দ্র থেকে শনাক্তকরণ পর্দার ব্যাসার্ধ এবং rtip হলো ডগার ব্যাসার্ধ। ডগা থেকে পর্দার ব্যবহারিক দূরত্ব কয়েক সেন্টিমিটার থেকে কয়েক মিটার পর্যন্ত হতে পারে। দূরত্ব যত বেশি হয়, একই দৃষ্টিসীমা (field of view) বজায় রাখার জন্য তত বড় শনাক্তকারী এলাকার (detector area) প্রয়োজন হয়।

ব্যবহারিক ক্ষেত্রে, ব্যবহারযোগ্য বিবর্ধন বেশ কিছু সীমাবদ্ধতার সম্মুখীন হয়, যেমন বাষ্পীভবনের আগে পরমাণুর পার্শ্বীয় কম্পন।

যদিও ফিল্ড আয়ন এবং অ্যাটম প্রোব মাইক্রোস্কোপ উভয়ের বিবর্ধন অত্যন্ত উচ্চ, তবে প্রকৃত বিবর্ধন নমুনাটির সুনির্দিষ্ট অবস্থার ওপর নির্ভর করে। তাই প্রথাগত ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপের মতো এখানে বিবর্ধনের ওপর সরাসরি নিয়ন্ত্রণ থাকে না। তদুপরি, পৃষ্ঠতলের বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের আকারের পরিবর্তনের কারণে প্রাপ্ত চিত্রগুলোর বিবর্ধনও ব্যাপকভাবে পরিবর্তিত হতে পারে।

 পুনর্গঠন 
অবস্থান-সংবেদনশীল শনাক্তকারী থেকে প্রাপ্ত আয়ন পর্যায়ক্রমের উপাত্তকে ত্রিমাত্রিক পারমাণবিক মডেলে রূপান্তর করার গাণিতিক প্রক্রিয়াকে 'পুনর্গঠন' (reconstruction) বলা হয়। পুনর্গঠন অ্যালগরিদমগুলো সাধারণত জ্যামিতিভিত্তিক এবং সাহিত্যে এর বেশ কিছু সূত্র রয়েছে। পুনর্গঠনের বেশিরভাগ মডেলে ধরে নেওয়া হয় যে ডগাটি একটি গোলাকার বস্তু এবং শনাক্তকারীর অবস্থানগুলোকে ত্রিমাত্রিক স্থানে (R3) এমবেড করা একটি দ্বিমাত্রিক পৃষ্ঠতলে রূপান্তর করতে স্টিরিওগ্রাফিক প্রক্ষেপণের অভিজ্ঞতামূলক সংশোধন ব্যবহার করা হয়। আয়ন পর্যায়ক্রমের উপাত্তের (যেমন আয়নের ক্রম) ওপর ভিত্তি করে এই পৃষ্ঠতলকে R3-এর মধ্য দিয়ে চালনা করে একটি আয়তন তৈরি করা হয়, যেখানে শনাক্তকারীর দ্বিমাত্রিক অবস্থানগুলো গণনা করে ত্রিমাত্রিক স্থানে স্থাপন করা যায়।

সাধারণত এই প্রক্রিয়াটি পৃষ্ঠতলের অগ্রগতির একটি সহজ রূপ নেয়, যেখানে পৃষ্ঠতলটি তার অগ্রবর্তী অক্ষের চারপাশে সুষমভাবে প্রসারিত হয়। প্রতিটি শনাক্তকৃত ও চিহ্নিত আয়নের জন্য নির্ধারিত আয়তন অনুযায়ী এই অগ্রগতির হার নির্ধারণ করা হয়। এর ফলে চূড়ান্ত পুনর্গঠিত আয়তনটি ব্যাডমিন্টনের শাটলককের মতো একটি গোলাকার-শঙ্কু আকৃতি ধারণ করে। শনাক্তকৃত ঘটনাগুলো এভাবে একটি পয়েন্ট ক্লাউড উপাত্তে পরিণত হয়, যার সাথে পরীক্ষামূলকভাবে পরিমাপকৃত মানগুলো (যেমন আয়নের উড্ডয়নকাল বা শনাক্তকারীর উপাত্ত) যুক্ত থাকে।

এই ধরণের উপাত্ত প্রক্রিয়াকরণ দ্রুত কম্পিউটার ভিজ্যুয়ালাইজেশন এবং বিশ্লেষণের সুবিধা দেয়। এখানে উপাত্তগুলো পয়েন্ট ক্লাউড হিসেবে উপস্থাপিত হয় এবং সাথে অতিরিক্ত তথ্য যেমন প্রতিটি আয়নের ভর ও আধানের অনুপাত (উপরের বেগ সমীকরণ থেকে গণনাকৃত), ভোল্টেজ বা অন্যান্য আনুষঙ্গিক পরিমাপকৃত মান যুক্ত থাকে।

 উপাত্তের বৈশিষ্ট্য 
অ্যাটম প্রোব উপাত্তের প্রধান বৈশিষ্ট্য হলো পদার্থের গভীরতা বরাবর এর উচ্চ রেজোলিউশন, যা একটি সুশৃঙ্খল বাষ্পীভবন প্রক্রিয়ার কারণে সম্ভব হয়। ফলে এই উপাত্ত ব্যবহার করে রাসায়নিক তথ্যের পাশাপাশি পারমাণবিক পর্যায়ের তীক্ষ্ণ ইন্টারফেসের চিত্র তৈরি করা যায়।

তবে বাষ্পীভবন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে প্রাপ্ত উপাত্তগুলো ভৌত বাষ্পীভবন বা আয়নাইজেশন প্রক্রিয়ার কারণে সৃষ্ট ত্রুটিমুক্ত (artefact) নয়। বাষ্পীভবন বা ফিল্ড আয়ন চিত্রগুলোর একটি মূল বৈশিষ্ট্য হলো উপাত্তের ঘনত্ব অত্যন্ত অসম, কারণ পারমাণবিক স্কেলে নমুনার পৃষ্ঠতলটি তরঙ্গায়িত (corrugation) থাকে। এই তরঙ্গায়িত অবস্থার কারণে ডগার নিকটবর্তী অঞ্চলে (ডগা থেকে একটি পারমাণবিক ব্যাসার্ধ বা তার কম দূরত্বে) শক্তিশালী বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের নতিমাত্রা তৈরি হয়, যা আয়নাইজেশনের সময় আয়নগুলোকে বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের লম্ব দিক থেকে বিচ্যুত করে।

এই বিচ্যুতির ফলে উচ্চ বক্রতাযুক্ত অঞ্চলগুলোতে পারমাণবিক ধাপ বা স্তরগুলো শনাক্তকরণ ঘনত্বের একটি শক্তিশালী অ্যানাইসোট্রপি দ্বারা ঢাকা পড়ে যায়। পৃষ্ঠের অল্প কিছু পরমাণুর কারণে যখন এটি ঘটে, তখন তাকে সাধারণত 'পোল' (pole) বলা হয়, কারণ এগুলো নমুনার স্ফটিক কাঠামোর অক্ষের (এফসিসি, বিসিসি, এইচসিপি ইত্যাদি) সাথে মিলে যায়। যেখানে একটি পারমাণবিক স্তরের প্রান্ত বিচ্যুতির সৃষ্টি করে, সেখানে একটি নিম্ন ঘনত্বের রেখা তৈরি হয় যাকে 'জোন লাইন' (zone line) বলা হয়।

এই পোল এবং জোন-লাইনগুলো পুনর্গঠিত উপাত্ত সেটে ঘনত্বের তারতম্য ঘটায়, যা বিশ্লেষণোত্তর সময়ে সমস্যা তৈরি করতে পারে। তবে কৌণিক বিবর্ধনের মতো তথ্য নির্ধারণের জন্য এগুলো অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এই বৈশিষ্ট্যগুলোর মধ্যে স্ফটিকতাত্ত্বিক সম্পর্কগুলো সাধারণত সুপরিচিত।

নমুনা থেকে উপাদানের একের পর এক স্তর বাষ্পীভূত হওয়ার কারণে উপাত্ত পুনর্গঠনের সময় পার্শ্বীয় এবং গভীরতার মানগুলো অত্যন্ত অ্যানাইসোট্রপিক হয়। যন্ত্রটির সুনির্দিষ্ট রেজোলিউশন নির্ধারণ করা কঠিন, কারণ এটি বিশ্লেষাধীন উপাদানের ভৌত বৈশিষ্ট্যের ওপর নির্ভর করে।

 ব্যবস্থা সমূহ 
পদ্ধতিটি উদ্ভাবনের পর থেকে অনেক ধরণের নকশা তৈরি করা হয়েছে। শুরুর দিকের ফিল্ড আয়ন মাইক্রোস্কোপগুলো, যা আধুনিক অ্যাটম প্রোবের পূর্বসূরি ছিল, সাধারণত ব্যক্তিগত গবেষণা ল্যাবরেটরিতে তৈরি কাঁচের তৈরি যন্ত্র ছিল।

 ব্যবস্থার বিন্যাস 
একটি অ্যাটম প্রোবে ন্যূনতম বেশ কিছু মূল সরঞ্জাম থাকে:
 প্রয়োজনীয় নিম্ন চাপ (~১০−৮ থেকে ১০−১০ Pa) বজায় রাখার জন্য একটি ভ্যাকুয়াম সিস্টেম, যা সাধারণত একটি ক্লাসিক ৩-চেম্বারযুক্ত ইউএইচভি (UHV) নকশা।
 ভ্যাকুয়ামের ভেতরে নমুনা পরিচালনা এবং দেখার ব্যবস্থা।
 পারমাণবিক গতি কমানোর জন্য একটি কুলিং সিস্টেম, যেমন হিলিয়াম রেফ্রিজারেশন সার্কিট - যা নমুনাকে ১৫ কেলভিন পর্যন্ত শীতল করতে পারে।
 নমুনার ভোল্টেজকে ফিল্ড বাষ্পীভবনের সীমার কাছাকাছি নেওয়ার জন্য একটি উচ্চ ভোল্টেজ ব্যবস্থা।
 নির্দিষ্ট সময়ে ফিল্ড বাষ্পীভবন ঘটানোর জন্য একটি উচ্চ ভোল্টেজ পালসিং ব্যবস্থা।
 একটি কাউন্টার ইলেকট্রোড যা সাধারণ ডিস্ক আকৃতির (পুরানো প্রজন্মের মতো) বা শঙ্কু আকৃতির লোকাল ইলেকট্রোড হতে পারে। সাধারণত কাউন্টার ইলেকট্রোডে নেতিবাচক ভোল্টেজ পালস প্রয়োগ করা হয়।
 একক শক্তিশালী আয়নের জন্য একটি শনাক্তকরণ ব্যবস্থা যা এক্স-ওয়াই (XY) অবস্থান এবং উড্ডয়নকাল (TOF) তথ্য প্রদান করে।

লেজার-বাষ্পীভবন পদ্ধতি ব্যবহারের ক্ষেত্রে অ্যাটম প্রোবে ঐচ্ছিক হিসেবে লেজার-অপটিক্যাল সিস্টেম থাকতে পারে। কিছু গবেষণার জন্য ইন-সিটু রিঅ্যাকশন সিস্টেম, হিটার বা প্লাজমা ট্রিটমেন্ট এবং এফআইএম (FIM)-এর জন্য বিশুদ্ধ নিষ্ক্রিয় গ্যাস প্রবেশের ব্যবস্থাও ব্যবহৃত হতে পারে।

 সক্ষমতা 
আগে সংগ্রহযোগ্য আয়নের পরিমাণ কয়েক হাজার বা দশ হাজারে সীমাবদ্ধ ছিল। পরবর্তীকালে ইলেকট্রনিক্স এবং যন্ত্রপাতির উন্নতির ফলে উপাত্ত জমার হার বৃদ্ধি পেয়েছে, এখন কয়েকশ মিলিয়ন পরমাণুর উপাত্ত সেট (১০৭ nm3 আয়তনের উপাত্ত সেট) পাওয়া সম্ভব। উপাত্ত সংগ্রহের সময় পরীক্ষামূলক অবস্থা এবং আয়নের সংখ্যার ওপর নির্ভর করে কয়েক মিনিট থেকে শুরু করে অনেক ঘণ্টা পর্যন্ত হতে পারে।

 প্রয়োগ 
 ধাতুবিদ্যা 
অ্যাটম প্রোব সাধারণত পারমাণবিক স্তরে সংকর ধাতু সমূহের রাসায়নিক বিশ্লেষণে ব্যবহৃত হয়। ভোল্টেজ পালসযুক্ত অ্যাটম প্রোব এই উপাদানগুলোতে ভালো রাসায়নিক এবং পর্যাপ্ত স্থানিক তথ্য সরবরাহ করে বলে এটি সম্ভব হয়েছে। বড় দানাদার সংকর ধাতুর নমুনা তৈরি করা সহজ হতে পারে, বিশেষ করে তারের নমুনা থেকে হাতে করা ইলেকট্রোপলিশিং কৌশলের মাধ্যমে ভালো ফলাফল পাওয়া যায়।

পরবর্তীতে, বিভিন্ন ধরণের সংকর ধাতুর রাসায়নিক গঠন বিশ্লেষণে অ্যাটম প্রোব ব্যবহৃত হয়েছে।

মূল উপাদানে সংকর ধাতুর উপাদানগুলোর প্রভাব নির্ধারণ এবং কঠিন-অবস্থা বিক্রিয়ার বৈশিষ্ট্য (যেমন সলিড ফেজ প্রিসিপিটেট) শনাক্ত করতে এই উপাত্ত অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। গঠনসহ ত্রিমাত্রিক উপাত্ত সেট তৈরি করা কঠিন হওয়ায় অন্যান্য মাধ্যমে (যেমন টিইএম (TEM)) এই ধরণের তথ্য বিশ্লেষণ করা সম্ভব নাও হতে পারে।

 অর্ধপরিবাহী 
অর্ধপরিবাহী উপাদানগুলো প্রায়শই অ্যাটম প্রোবে বিশ্লেষণ করা যায়, তবে নমুনা প্রস্তুত করা আরও কঠিন হতে পারে এবং ফলাফলের ব্যাখ্যা আরও জটিল হতে পারে। বিশেষ করে যদি অর্ধপরিবাহীটিতে এমন পর্যায় (phase) থাকে যা ভিন্ন ভিন্ন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে বাষ্পীভূত হয়।

আয়ন ইমপ্লান্টেশনের মতো প্রয়োগগুলো একটি অর্ধপরিবাহী উপাদানের ভেতরে ডোপ্যান্টের বিন্যাস শনাক্ত করতে ব্যবহৃত হতে পারে, যা আধুনিক ন্যানোমিটার স্কেল ইলেকট্রনিক্সের সঠিক নকশা তৈরির জন্য দিন দিন গুরুত্বপূর্ণ হয়ে উঠছে।

 সীমাবদ্ধতা 
 উপাদানের বৈশিষ্ট্যগুলো পরোক্ষভাবে অর্জনযোগ্য স্থানিক রেজোলিউশন নিয়ন্ত্রণ করে।
 বিশ্লেষণের সময় নমুনার জ্যামিতি অনিয়ন্ত্রিত থাকে, অথচ এটি প্রক্ষেপণ আচরণ নিয়ন্ত্রণ করে, ফলে বিবর্ধনের ওপর খুব কম নিয়ন্ত্রণ থাকে। এটি কম্পিউটারে তৈরি ত্রিমাত্রিক উপাত্ত সেটে বিকৃতি ঘটায়। আগ্রহের বিষয়টি মূল নমুনার চেয়ে ভিন্নভাবে বাষ্পীভূত হতে পারে, যা প্রক্ষেপণ জ্যামিতি এবং পুনর্গঠিত আয়তনের বিবর্ধন পরিবর্তন করে দেয়। এর ফলে চূড়ান্ত চিত্রে শক্তিশালী স্থানিক বিকৃতি ঘটে।
 আয়তন নির্বাচনের সুযোগ সীমিত হতে পারে। সুনির্দিষ্ট স্থান প্রস্তুতির পদ্ধতি (যেমন ফোকাসড আয়ন বিম ব্যবহার করে), যদিও বেশি সময়সাপেক্ষ, তবুও এই সীমাবদ্ধতা কাটিয়ে উঠতে ব্যবহৃত হতে পারে।
 কিছু নমুনায় আয়নের ওভারল্যাপ (যেমন অক্সিজেন এবং সালফারের মধ্যে) শনাক্তকরণে অস্পষ্টতা তৈরি করে। পরীক্ষার তাপমাত্রা বা লেজার শক্তি নির্বাচনের মাধ্যমে আয়নের আয়নাইজেশন সংখ্যা পরিবর্তন করে এটি কমানো যেতে পারে। কিছু ক্ষেত্রে পরিসংখ্যানগত উপাত্ত বিশ্লেষণ ব্যবহার করেও এটি কাটিয়ে ওঠা সম্ভব।
 হালকা ওজনের গ্যাস (হাইড্রোজেন এবং হিলিয়াম) বিশ্লেষণ কক্ষ থেকে অপসারণ করা কঠিন হতে পারে এবং নমুনা থেকে এগুলো নির্গত হতে পারে, এমনকি যদি সেগুলো মূলে না থাকে। এর ফলে কিছু নমুনায় হাইড্রোজেন শনাক্ত করা কঠিন হয়ে পড়ে। এই সীমাবদ্ধতা কাটিয়ে উঠতে ডিউটেরিয়ামযুক্ত নমুনা ব্যবহার করা হয়েছে।
 প্রাপ্ত ফলাফল দ্বিমাত্রিক শনাক্তকৃত উপাত্তকে ত্রিমাত্রিকে রূপান্তর করার প্যারামিটারগুলোর ওপর নির্ভর করতে পারে। সমস্যাযুক্ত উপাদানগুলোর ক্ষেত্রে প্রকৃত বিবর্ধন সম্পর্কে সীমিত জ্ঞানের কারণে সঠিক পুনর্গঠন সম্ভব নাও হতে পারে; বিশেষ করে যদি জোন বা পোল অঞ্চলগুলো পর্যবেক্ষণ করা না যায়।

 তথ্যসূত্র 

 আরও পড়ুন 





 বহিঃসংযোগ 
 ফিল্ড আয়ন চিত্র এবং পালসড আয়ন বাষ্পীভবন প্রদর্শনকারী ভিডিও
 www.atomprobe.com - যোগাযোগ তথ্য এবং একটি ইন্টারেক্টিভ প্রশ্নোত্তরসহ একটি CAMECA সরবরাহকৃত রিসোর্স
 MyScope Atom Probe Tomography - মাইক্রোস্কোপি অস্ট্রেলিয়া দ্বারা সরবরাহকৃত অ্যাটম প্রোব সম্পর্কে শিখতে আগ্রহীদের জন্য একটি অনলাইন লার্নিং প্ল্যাটফর্ম

বিষয়শ্রেণী:বৈজ্ঞানিক পদ্ধতি
বিষয়শ্রেণী:অণুবীক্ষণ যন্ত্র
বিষয়শ্রেণী:ন্যানোপ্রযুক্তি

বিষয়শ্রেণী:অণুবীক্ষণ যন্ত্র
বিষয়শ্রেণী:ভর বর্ণালীমিতি