অভিবীক্ষণ শলাকা অণুবীক্ষণবিজ্ঞান

অভিবীক্ষণ শলাকা অণুবীক্ষণবিজ্ঞান (, "স্ক্যানিং প্রোব মাইক্রোস্কোপি", সংক্ষেপে SPM, "এসপিএম") হল অণুবীক্ষণবিজ্ঞানের একটি শাখা যাতে একটি অনুসন্ধানী শলাকা (প্রোব) দ্বারা নমুনা অভিবীক্ষণ (স্ক্যান) করে তার পৃষ্ঠের চিত্র গঠন করা হয়। ১৯৮১ সালে পারমাণবিক পর্যায়ের চিত্রগ্রহণকারী অভিবীক্ষণ সুড়ঙ্গ অণুবীক্ষণ যন্ত্র আবিষ্কারের মধ্য দিয়ে অভিবীক্ষণ শলাকা অণুবীক্ষণবিজ্ঞান ক্ষেত্রটি প্রতিষ্ঠিত হয়েছিল। বিনিগ এবং রোয়েরার কর্তৃক অভিবীক্ষণ সুড়ঙ্গ অণুবীক্ষণ যন্ত্রের প্রথম সফল পরীক্ষা সম্পাদিত হয়। তাদের সাফল্যের চাবিকাঠি ছিল একটি প্রতিক্রিয়া চক্র ব্যবহার করে অনুসন্ধানী শলাকা ও নমুনার মধ্যে দূরত্ব নিয়ন্ত্রণ করা।
অনেক অভিবীক্ষণ শলাকা অণুবীক্ষণ যন্ত্র একই সময়ে একাধিক মিথষ্ক্রিয়ার চিত্র ধারণ করতে সক্ষম। এই মিথষ্ক্রিয়াগুলোর সমন্বয়ে একটি চিত্র অর্জন করার পদ্ধতিকে সাধারণত এক-একটি "মোড" বা প্রকার বলা হয়।
কৌশলভেদে চিত্রের সূক্ষ্মতা বিভিন্ন হয়, তবে কিছু কৌশল অসাধারণ পারমাণবিক সূক্ষ্মতা অর্জন করতে পারে। এর প্রধাণ কারণ হচ্ছে চাপবৈদ্যুতিক গতিসঞ্চারকগুলি (পাইজোইলেকট্রিক অ্যাকচুয়েটর) বৈদ্যুতিক নিয়ন্ত্রণ দ্বারা পারমাণবিক পর্যায় বা আরও সূক্ষ্ম ও নির্ভুলভাবে গতিবিধি পরিচালনা করতে সক্ষম। এই শ্রেণীর কৌশলকে "চাপবৈদ্যুতিক কৌশল" নামাঙ্কিত করা যায়। প্রাপ্ত উপাত্ত সাধারণত একটি দ্বি-মাত্রিক উপাত্তের ছক (গ্রিড) আকারে সংগৃহীত হয়, যা পরবর্তীতে কৃত্রিম-রঞ্জিত চিত্র হিসেবে প্রকাশ করা হয়.
এদের মধ্যে এএফএম এবং এসটিএম রুক্ষতা পরিমাপে সর্বাধিক ব্যবহৃত হয়।
চিত্র গঠনের জন্য অভিবীক্ষণ শলাকা অণুবীক্ষণ যন্ত্র প্রথমে অনুসন্ধানী শলাকাের অগ্রভাগ নমুনাপৃষ্ঠের ওপর দিয়ে বর্গক্ষেত্রিক নকশার আকারে স্ক্যান করে। স্ক্যানের স্বতন্ত্র বিন্দুতে এক-একটি মান নথিভুক্ত করা হয় (যা এসপিএম এর প্রকাভেদ ও কার্যপ্রণালীর ওপর নির্ভরশীল)। এই মানগুলোর সমন্বয়কে একটি তাপীয় মানচিত্র হিসেবে দেখানো যায়, এবং এর থেকেই চূড়ান্ত এসটিএম চিত্র গঠন করা হয়। এই চিত্র সাধারণত সাদা-কালো অথবা কমলা পর্যায়ের রঙ ব্যবহার করে রঞ্জিত থাকে।
স্থির মিথষ্ক্রিয়া পদ্ধতির স্ক্যানে (প্রায়ই "প্রতিক্রিয়াশীল" বলে চিহ্নিত) একটি প্রতিক্রিয়া চক্র ব্যবহার করে অনুসন্ধানী শলাকাটিকে নমুনাপৃষ্ঠ হতে z-অক্ষ বরাবর নিকট- বা দূরবর্তী করা হতে থাকে যেন মিথষ্ক্রিয়া সর্বদা সমহারে চলমান থাকে।
মিথষ্ক্রিয়া এসপিএম এর ধরনের ওপর নির্ভরশীল, যেমন এসটিএম এর ক্ষেত্রে সুড়ঙ্গ প্রবাহ, অথবা সংস্পর্শীয় এএফএম বা এমএফএম এর ক্ষেত্রে বহির্বাহুর গতিপথ বদল। ব্যবহৃত প্রতিক্রিয়া চক্রটি সাধারণত একটি পিআই চক্র, যা মূলত একটি পিআইডি-চক্র যার পার্থক্যজনিত বর্ধন শুন্য করে রাখা হয়েছে (কারণ এটি স্পষ্টতা হ্রাস করে)। অনুসন্ধানী শলাকাের অগ্রভাগের z-অক্ষের অবস্থান (অভিবীক্ষণ তলটি xy-তলে বিস্তৃত) কিছু সময় পর পর গণনা করা হয় এবং তাপীয় চিত্র হিসেবে প্রদর্শিত হয়। এটি সাধারণত ভু-সাংস্থানিক চিত্র হিসেবে পরিচিত।
এ পদ্ধতিতে "ত্রুটি সংকেত" বা "ত্রুটি চিত্র" নামক দ্বিতীয় একটি চিত্র গঠন করা হয়, যা মিথষ্ক্রিয়ার থেকে আগত প্রতিক্রিয়ার তাপীয় চিত্র। নিখুঁত পরিবেশে প্রতিক্রিয়া চক্রে প্রেরিত একটি ধ্রুবক মানের জন্য এই চিত্রটি ফাঁকা হবে। তবে বাস্তবে এ চিত্রটি অস্পষ্টতাপূর্ন ও নমুনাপৃষ্ঠের গঠনের কিছু চিহ্ন ধারণ করে। এই ত্রুটি চিত্রের সাহায্যে প্রতিক্রিয়ার প্রাপ্তি পরিবর্তন করে ত্রুটি সংকেতের বৈশিষ্ট্য হ্রাস করা যায়।
যদি প্রাপ্তি ত্রুটিপূর্ণভাবে নির্বাচন করা হয়, তবে চিত্রে বিভিন্ন অস্বাভাবিকতা দেখা দেয়। প্রাপ্তি অপ্রতুল হলে চিত্রের বৈশিষ্ট্যসমূহ প্রলিপ্ত হয়ে দেখা যেতে পারে, আবার অত্যধিক হলে প্রতিক্রিয়া ভারসাম্যহীন হয়ে পড়ে ও কম্পনশীল হতে পারে, ফলে চিত্রে ডোরাকাটা গঠন দেখা যেতে পারে, যা বাস্তবে অনুপস্থিত।
স্থির উচ্চতা পদ্ধতিতে র‌্যাস্টার স্ক্যানকালে অনুসন্ধানী শলাকাটি z-অক্ষ বরাবর নড়াচড়া করে না বরং পরীক্ষাধীণ মিথষ্ক্রিয়ার মান নথিভুক্ত করা হয় (যেমন এসটিএম-এর ক্ষেত্রে সুড়ঙ্গ প্রবাহ, অথবা নিয়ন্ত্রিত অসংযুক্ত বিস্তারের এএফএম এর ক্ষেত্রে বহির্বাহুর দোলনের বিস্তার)। এভাবে প্রাপ্ত তথ্যভিত্তিক তাপীয় চিত্র সাধারণত স্থির উচ্চতাসম্পন্ন চিত্র বলে পরিচিত।
স্থির মিথষ্ক্রিয়া পদ্ধতির তুলনায় স্থির উচ্চতা পদ্ধতি অত্যন্ত জটিল, কারণ নমুনাপৃষ্ঠের সঙ্গে অনুসন্ধানী শলাকাের সংঘর্ষের সম্ভাবনা রয়েছে। সাধারণত স্থির উচ্চতা পদ্ধতি শুরু করার আগে স্থির মিথষ্ক্রিয়া পদ্ধতি ব্যবহার করা হয় নমুনার নিরীক্ষণীয় অঞ্চলের পৃষ্ঠে কোন বৃহদাকায় দূষণ নেই এটি নিশ্চিত হবার জন্য, নমুনার ঢাল পরিমাপ ও সংশোধনের জন্য এবং (বিশেষত ধীরগতির স্ক্যানের ক্ষেত্রে) নমুনার তাপীয় বিচ্যুতি পরিমাপ ও সংশোধনের জন্য. পাইজোবৈদ্যুতিক সরণও একটি সমস্যার কারণ হতে পারে, তাই স্থির উচ্চতা পদ্ধতির স্ক্যানের পূর্বে বড় গতিবিধির পর অণুবীক্ষণ যন্ত্রটির স্থিতির জন্য কিছু সময় অপেক্ষা করতে হয়।
প্রতিক্রিয়া-জনিত অস্বাভাবিকতা দূর করতে স্থির উচ্চতা পদ্ধতি কার্যকর হতে পারে।
একটি এসপিএম অনুসন্ধানী শলাকাের প্রকৃতি ব্যবহৃত এসপিএম এর ধরনের ওপর সম্পূর্ণভাবে নির্ভরশীল। অনুসন্ধানী শলাকাের অগ্রভাগ এবং নমুনার স্থানবিবরণের সমন্বয়ে এসপিএম চিত্র গঠিত হয়। তবে কিছু কিছু বৈশিষ্ট্য সব, বা অধিকাংশ, এসপিএম এর ক্ষেত্রেই প্রযোজ্য।
সর্বোচ্চ গুরুত্ত্বের বিষয় হচ্ছে, অনুসন্ধানী শলাকার শিখর যথেষ্ট তীক্ষ্ণ হতে হবে। শিখরের তীক্ষ্ণতার ওপর অণুবীক্ষণ যন্ত্রের স্পষ্টতা নির্ভর করে। পারমাণবিক পর্যায়ের স্পষ্টতার জন্য অনুসন্ধানী শলাকার শিখর অবশ্যই একটি পরমাণুতে নিষ্পন্ন হতে হবে। বহির্বাহু-ভিত্তিক এসপিএম (যেমন এএফএম বা এমএফএম) এর ক্ষেত্রে সম্পূর্ণ বহির্বাহু ও অন্তর্নিহিত অনুসন্ধানী শলাকা এসিড ক্ষোদাই দ্বারা নির্মিত হয় (সাধারণত সিলিকন নাইট্রাইড, )। এসটিএম এবং এসসিএম এর প্রয়োজনীয় বিদ্যুত-প্রবাহী অনুসন্ধানী শলাকা নির্মিত হয় স্বাভাবিক পরিবেশে পরিচালনার উদ্দেশ্যে প্লাটিনাম/ইরিডিয়াম তার দিয়ে, বা অতি-উচ্চ শুন্যস্থানের পরিচালনা উদ্দেশ্যে টাংস্টেন দিয়ে। অন্যান্য কাঁচামালও ব্যবহৃত হয় (যেমন স্বর্ণ), নমুনার ওপর নির্ভর করে বা এসপিএম অন্য কোন পরীক্ষার সাথে (যেমন টিইআরএস) সম্পর্কিত কিনা তার ওপর নির্ভর করে। তার কাটার যন্ত্র দিয়ে প্লাটিনাম/ইরিডিয়াম (ও অন্যান্য স্বাভাবিক পরিবেশে পরিচালিত অনুসন্ধানী শলাকাের) তার কাটা হয়। কর্তনের সর্বোত্তম উপায় হচ্ছে তারের অধিকাংশ কাটা হয়ে গেলে বাকি অংশ টান দিয়ে বিচ্ছিন্ন করা, যাতে কাটা প্রান্তটি একটি পরমাণুতে সমাপ্ত হবার সম্ভাবনা বৃদ্ধি পায়। টাংস্টেন তার সাধারণত তড়িৎ-রাসায়নিক পদ্ধতিতে ক্ষোদাই করা হয়, এবং অতি-উচ্চ শুন্যস্থানে নেয়ার পর অনুসন্ধানী শলাকাের ওপরের জারিত অক্সাইড প্রলেপ অপসারণ করা হয়।
এসপিএম অনুসন্ধানী শলাকাের আকাঙ্খিত স্পষ্টতার চিত্র না পাওয়াটা অস্বাভাবিক নয়—ক্রয়কৃত এবং "ঘরে-তৈরি" দুই রকমের অণুবীক্ষণ যন্ত্রের জন্যই। যদি অনুসন্ধানী শলাকাের অগ্রভাগ ভোঁতা অথবা একাধিক শীর্ষসম্পন্ন হয়, তবে যুগল চিত্র গঠিত হতে পারে। কিছু ক্ষেত্রে অনুসন্ধানী শলাকাের শী্র্ষের তাৎক্ষনিক পরিবর্তন করা যায়, সাধারণত অনুসন্ধানী শলাকাের অগ্রভাগকে নমুনা পৃষ্ঠের সাথে সংষর্ষ ঘটিয়ে বা উচ্চ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র প্রয়োগ করে। দ্বিতীয় কাজটি সম্পাদন করা যায় অনুসন্ধানী শলাকা ও নমুনার মধ্যে ১০ ভোল্টের মত ঝোঁক বিভব প্রবাহিত করে। এদের দূরত্ব সাধারণত ১-৩ অ্যাংস্ট্রম বলে অত্যন্ত বৃহৎ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি হয়।
অণুবীক্ষণ যন্ত্রের সূক্ষ্মতা বিচ্ছুরণ দ্বারা সীমাবদ্ধ নয়, এর সীমাবদ্ধতা নির্ভর করে কেবল অনুসন্ধানী শলাকা-নমুনা মিথষ্ক্রিয়ার আয়তন তথা পয়েন্ট বিস্তার ফাংশনের ওপর, যা মাত্র কয়েক পিকোমিটার পর্যন্ত ক্ষুদ্রতাও পেতে পারে। এ কারণে নমুনার স্থানীয় উচ্চতার ক্ষীণ পার্থক্য (১০০ সিলিকনের ১৩৫ পিকোমিটার ধাপের মত) পরিমাপের দক্ষতায় এ জাতীয় অণুবীক্ষণ যন্ত্র অপ্রতিদ্বন্দী। অনুসন্ধানী শলাকা-নমুনা মিথষ্ক্রিয়ার পার্শ্বিক বিস্তার কেবল শীর্ষ পরমাণু বা মিথষ্ক্রিয়ায় অংশগ্রহণকারী পরমাণুগুলো পর্যন্ত সীমিত থাকে।
মিথষ্ক্রিয়া ব্যবহার করে নমুনায় ক্ষুদ্রকায় কাঠামো তৈরি করা সম্ভব (অভিবীক্ষণ অনুসন্ধানী শলাকা লিথোগ্রাফ)।
নমুনা পর্যবেক্ষণ করতে ইলেক্ট্রন অণুবীক্ষণ যন্ত্রের মত আংশিক শুন্যস্থানের প্রয়োজন পড়ে না, বরং বায়ুর স্বাভাবিক তাপমাত্রা ও চাপে অথবা তরল বিক্রিয়া ধারকে নিমজ্জিত অবস্থায় পর্যবেক্ষণ সম্ভব।
অভিবীক্ষণকারী শীর্ষের পুঙ্খানুপুঙ্খ আকার নির্ণয় করা কখনো কখনো জটিল হয়। চূড়ান্ত উপাত্তে এর প্রভাব লক্ষণীয় হয়ে দেখা দেয় যদি নমুনার ১০ ন্যানোমিটার বা এর কম পার্শ্বীয় বিস্তারের এলাকায় উচ্চতার প্রচুর পার্থক্য থাকে।
অভিবীক্ষণ প্রক্রিয়ার কৌশলগুলো সাধারণত চিত্র অর্জনে ধীরগতিশীল। তাই অভিবীক্ষণয়ের মাত্রার ব্যাপক বৃদ্ধি জন্য পদক্ষেপ নেয়া হচ্ছে। অন্যান্য অভিবীক্ষণ কৌশলের মতই একটি সময় পরম্পরায় স্থান-সংক্রান্ত তথ্য নিহিত করার ফলে মাত্রাবিজ্ঞানের, যেমন পার্শ্বীয় ব্যবধান বা কোণের পরিমাপে, অনিশ্চয়তা আগমন করে। এই অনিশ্চয়তা উদ্ভব হয় নমুনার স্থানচ্যুতি, প্রতিক্রিয়া চক্রের ওঠানামা, বা যান্ত্রিক কম্পন ইত্যাদি সময়-ভিত্তিক ঘটনার প্রভাবে।
চিত্রের সর্বোচ্চ সম্ভাব্য আকার সাধারণত বেশি বড় হয় না।
অনুসন্ধানী শলাকা অণুবীক্ষণ যন্ত্র স্ক্যান প্রোথিত কঠিন-কঠিন বা তরল-তরল স্পর্শতল নীরিক্ষণের ক্ষেত্রে সাধারণত খুব একটা কার্যকর নয়।
আলোক অণুবীক্ষণ যন্ত্রের পরিপন্থিভাবে এসটিএম-এর প্রাপ্ত উপাত্ত হতে চিত্র তৈরির জন্য সবক্ষেত্রেই উপস্থাপক বা রেন্ডারিং সফটওয়্যার প্রয়োজন পড়ে। সাধারণত এধরনের সফটওয়্যার উৎপাদক কর্তৃক অণুবীক্ষণ যন্ত্রে পূর্বনিহিত থাকে, তবে অতিরিক্ত আনুষঙ্গিক উপাদান হিসেবে বিভিন্ন বিশেষায়িত ওয়ার্কগ্রুপ বা প্রতিষ্ঠান হতেও সরবরাহ করা হয়। সাধারণত ব্যবহৃত সফটওয়্যার হচ্ছে: