લોહવિદ્યુત (Ferroelectricity) : સામાન્ય પરાવિદ્યુત (dielectric) પદાર્થોમાં ધ્રુવીભવન(polarization)નો વીજક્ષેત્ર સાથે રેખીય સંબંધ હોવાની અને બાહ્ય વીજક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં ધ્રુવીભવન શૂન્ય થવાની ઘટના. એક વર્ગના પદાર્થો કે જે સ્વયંભૂ (spontaneous) ધ્રુવીભવન દર્શાવે છે તેના માટે ધ્રુવીભવન (P) અને વીજક્ષેત્ર (E) વચ્ચેનો સંબંધ બિન-રેખીય (nonlinear) છે. આ પ્રકારના પદાર્થો શૈથિલ્ય (hysteresis) વક્ર દર્શાવે છે. આ પ્રકારનો ગુણધર્મ ફેરોમૅગ્નેટિક પદાર્થો ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં દર્શાવતા હોવાથી સામ્યના આધારે તેમને લોહવિદ્યુત (ફેરોઇલેક્ટ્રિક) પદાર્થો કહે છે.
આકૃતિ 1 : શૈથિલ્ય વક્ર
કોઈ બાહ્ય વીજક્ષેત્રની હાજરી વગર લોહવિદ્યુત પદાર્થો સ્વયંભૂ ધ્રુવીભવન Ps ધરાવે છે, જે તાપમાનનું વિધેય છે. તાપમાન વધતાં Psની કિંમત ઘટે છે અને ક્યુરી તાપમાને (Curie temperature) (Tc) તે શૂન્ય બને છે. આ તાપમાનથી વધારે તાપમાને પદાર્થ પેરાઇલેક્ટ્રિક અવસ્થા ધારણ કરે છે. પેરાઇલેક્ટ્રિક અવસ્થા પેરામૅગ્નેટિક અવસ્થા સાથે સામ્ય ધરાવે છે, જ્યાં પરાવૈદ્યુતાંક (dielectric constant) તાપમાન વધતાં ઝડપથી ઘટે છે. આ પરિવર્તન ક્યુરી-વાઇઝ(Curie-Weiss)ના નિયમનું પાલન કરે છે.
અહીં T તાપમાન છે તથા C અને To બંને અચળાંકો છે, જે અનુક્રમે ક્યુરી અચળાંક અને ક્યુરી-વાઇઝ તાપમાન કહેવાય છે. ફેરોમૅગ્નેટિક (લોહચુંબક) પદાર્થની અંદર જેમ પ્રદેશો (domains) આવેલ છે તેમ લોહવિદ્યુત પદાર્થમાં પણ પ્રદેશો આવેલ છે, પ્રત્યેક પ્રદેશમાં ધ્રુવીભવનની દિશા એકસમાન રહે છે.
લોહવિદ્યુત-સ્ફટિકો સંરચનામાં સમમિતિનું કેન્દ્ર (centre of symmetry) ધરાવતા નથી હોતા. લોહવિદ્યુત સ્ફટિકો બાહ્યવીજક્ષેત્રની ગેરહાજરીમાં વીજ દ્વિધ્રુવ ચાકમાત્રા (electric dipole moment) દર્શાવે છે. લોહવિદ્યુત અવસ્થામાં સ્ફટિકોના ધન વીજભારનું કેન્દ્ર તેના ઋણ વીજભારના કેન્દ્ર ઉપર સંપાત (coincide) થતું નથી.
લોહવિદ્યુત સ્ફટિકોને બે વિભાગમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે; ઑર્ડર-ડિસઑર્ડર (વ્યવસ્થા-અવ્યવસ્થા, order-disorder) તેમજ વિસ્થાપ્ય (displacive) પ્રકાર. સ્ફટિકમાં જોવા મળતું પરિવર્તન તેની સંરચનાની ગોઠવણીની વ્યવસ્થા (ordering) ઉપર આધાર રાખે છે, જે ઑર્ડર-ડિસઑર્ડર પ્રકારમાં જોવા મળે છે. ડિસપ્લેસિવ પ્રકારમાં એક પ્રકારનાં આયનોની પેટા-લેટિસનું સ્થાનાંતર બીજા પ્રકારનાં આયનોની પેટા-લેટિસની સાપેક્ષ થાય છે. ઑર્ડર-ડિસઑર્ડર પ્રકારના લોહવિદ્યુત સ્ફટિકોમાં હાઇડ્રોજન બંધો(hydrogen bonds)ના પ્રોટૉનની ગતિ (motion) મહત્ત્વની છે. આ પ્રકારમાં પોટૅશિયમ ડાઇહાઇડ્રોજન ફૉસ્ફેટ (KDP KH2PO4) તથા તેના જેવા સમરૂપી સ્ફટિકો (isomorphous crystals) આવેલ છે. ડિસપ્લેસિવ પ્રકારના સ્ફટિકોમાં પેરોવ્સ્કાઇટ (perovskite) અને ઇલ્મેનાઇટ (ilmenite) જેવી સ્ફટિકીય સંરચનાઓ ધરાવતા આયનિક (ionic) સ્ફટિકો છે.
એક દૃષ્ટિકોણ મુજબ ક્રાંતિ તાપમાને (critical temperature) ધ્રુવીભવન ઘણું વિશાળ મળે છે. તે માટે ધ્રુવીભવન-વિપદ(polarization catastrophe)ને જવાબદાર ગણવામાં આવે છે. ધ્રુવીભવન વિપદ વખતે ધ્રુવીભવનના કારણે સ્થાનિક રીતે (locally) ઉદભવેલ વીજક્ષેત્ર સ્ફટિકની અંદર આયનો ઉપર લાગતાં સ્થિતિસ્થાપક પુન:સ્થાપક બળ (elastic restoring forces) કરતાં વધી જાય છે, પરિણામે આયનોની સ્થિતિમાં અસમમિતીય વિસ્થાપન (asymmetrical shift) ઉત્પન્ન થાય છે. વધારે માત્રાના પુન: સ્થાપકબળ વડે મર્યાદિત એવા અમુક અંતર સુધી આ સ્થાનાંતર જોવા મળે છે. પેરોવ્સ્કાઇટ પ્રકારના સ્ફટિકોમાં તેની આયનોની ગોઠવણી ધ્રુવીભવન-વિપદ માટે જરૂરી શરત સંતોષે છે.
આકૃતિ 3માં બેરિયમ ટાઇટેનેટ(BaTiO3)ની સ્ફટિકીય સંરચના દર્શાવેલ છે, જે પેરોવ્સ્કાઇટ પ્રકારની છે. આ સંરચના મૂળભૂત રીતે ઘન (cubic) છે, જેમાં Ba2+ આયનો ઘનના ખૂણાઓ ઉપર છે, O2– આયનો ઘનની બાજુઓના મધ્ય બિંદુએ છે, અને Ti4+ આયન ઘનના કદ(આકાર, Body)ના મધ્યબિંદુ (centre) ઉપર આવેલ છે. ક્યુરી- તાપમાન કરતાં નીચા તાપમાને સ્ફટિકીય સંરચના થોડી બદલાયેલ જોવા મળે છે; જેમાં Ba2+ અને Ti4+ આયનો O2– આયનોની સાપેક્ષ ખસે છે અને તેને પરિણામે દ્વિ-ધ્રુવ (dipole) ચાકમાત્રા (moment) ઉત્પન્ન થાય છે. આના પરિણામે ઉપરના અને નીચેના O2– આયનો નીચેની દિશામાં ખસે છે.
પ્રથમ-ક્રમનું પરિવર્તન દ્વિતીય-ક્રમનું પરિવર્તન
આકૃતિ 2
કેટલાક ફેરોઇલેક્ટ્રિક પદાર્થમાં ફેરોઇલેક્ટ્રિક-પેરાઇલેક્ટ્રિક પરિવર્તન પ્રથમ-ક્રમનું (first order) હોય છે. પરિવર્તન તાપમાને ધ્રુવીભવનની કિંમતમાં અસાતત્ય (discontinuity) જોવા મળે છે. આવા પદાર્થોમાં ક્યુરી-વાઇઝ તાપમાન To અને પરિવર્તન તાપમાન Tc સાથે એકરૂપ હોતું નથી, પરંતુ તેના કરતાં ઓછું રહે છે. અન્ય પ્રકારના લોહવિદ્યુત પદાર્થો દ્વિતીય-ક્રમનું પરિવર્તન (second order transition) દર્શાવે છે. અહીં To અને Tc એકસમાન છે. દ્વિતીય-ક્રમના પરિવર્તનમાં ગુપ્ત ઉષ્મા (latent heat) સામેલ નથી, પરંતુ ગોઠવણી-પ્રાચલ (order parameter) અસતત પરિવર્તન તાપમાને નથી. પ્રથમ-ક્રમના પરિવર્તનમાં ગુપ્ત ઉષ્મા છે અને ગોઠવણી-પ્રાચલ અસતત રીતે પરિવર્તન તાપમાને બદલાય છે.
ડી. પી. કેમેરને (D. P. Cameron) ઇલેક્ટ્રૉન માઇક્રોસ્કોપ વડે BaTiO4ના એકલ સ્ફટિક(single crystal)માં 30,000 જેટલા વિવર્ધન (magnification) માટે લોહવિદ્યુત ડોમેઇન આકૃતિઓની તસવીરો લીધી હતી.
આકૃતિ 3
કેટલાક લોહવિદ્યુત સ્ફટિકોની માહિતી
| પ્રકાર | સૂત્ર | Tc | P | T |
| oK | esucm2 | oK | ||
| KDP | KH2PO4 | 123 | 16,000 | 96 |
| પ્રકાર | KD2PO4 | 213 | 13,500 | |
| RbH2PO4 | 147 | 16,800 | 90 | |
| RbH2AsO4 | 111 | |||
| KH2AsO4 | 96 | 15,000 | 80 | |
| TGS | ટ્રાઇગ્લાઇસીન | 322 | 8,400 | 293 |
| પ્રકાર | સલ્ફેટ | |||
| ટ્રાઇગ્લાઇસીન | 295 | 9,600 | 273 | |
| સેલેનેટ | ||||
| પેરોવ્સ્કાઇટ્સ | BaTiO3 | 393 | 78,000 | 296 |
| SrTiO3 | ~ 0 | 9,000 | 4 | |
| KNbO3 | 712 | 90,000 | 523 | |
| PbTiO3 | 763 | >1,50,000 | 300 | |
| LiTiO3 | 890 | 70,000 | 720 | |
| LiNbO3 | 1470 | 9,00,000 |
મિહિર જોશી