片状微晶的软化学合成和界面自组装制备择优取向无铅压电材料的研究

The piezoelectric crystals with perovskite structure presents typical anisotropy. Our research work focus on the tailored growth of perovskite micro-crystalline with special morphology and orientation, and by soft chemical method, through topochemical conversion synthesize the piezoelectric micro-crystallines with plate like morphology and special orientation. On the basis of the morphology, under effect of the water/oil interfacial force, the perovskite platelets could be self-assembled into high oriented monolayered film on the interface of water/oil and be transferred onto the substrates. Using the self-assembled monolayered film as seed layer, we would prepared highly oriented thick films and thin films by screen printing and sol-gel spin coating, respectively to improve the piezoelectric properties. The synthesis mechanism of controling the morphology and orientation of perovskite crystallines by soft chemical method would be investigated systematically. we also pay attention to the study of the interfacial assembly mechanism,the epitaxial growth of thick films and thin films.

钙钛矿型压电晶体具有典型的各向异性特征，本项目致力于研究钙钛矿型无铅压电微晶体的形貌和取向调控生长，采用软化学方法，通过拓扑化学转变合成具有片状形貌和压电性能优势取向的钙钛矿型压电微晶体。根据片状晶体形貌特征，通过水/油界面张力作用，实现片状微晶体在界面的自组装，获得具有高度取向性的单层膜并转移到基片上。以此单层膜作为种子层，通过丝网印刷和溶胶-凝胶成膜方法制备高取向性的厚膜和薄膜材料，从而获得压电性能的提高。系统地研究软化学法控制钙钛矿型微晶体形貌和取向的反应机制，探索普适于钙钛矿型材料的微晶合成方法。研究界面组装的界面张力作用机制以及膜合成中的外延取向性生长的机理和工艺控制。

压电材料具有典型的机电耦合效应，可以实现力学和电学信号之间的转换输运，因此在机电耦合相关的领域一直是有着重要的研究意义和价值。压电效应是能够建立起机械能向电能转变的重要纽带之一。对于能量转换，效率和输出功率一直是最为关注的问题，因此人们通过材料性能的提升、器件结构和设计的优化、与承载体之间的匹配关系以及与负载器件的集成等方面进行了不断的尝试和探索。对于钙钛矿结构的压电材料，其压电性能在结构上具有典型的各向异性特征，因此如果在结构上能够对其进行优化和调控，实现结构上的择优取向，便能够从根本上有效的提高压电性能。.本项目致力于制备出具有择优取向特征的无铅压电材料，深入探讨压电微晶体合成、组装、器件构造、机电耦合机理等方面的问题。在既定研究计划的指导下，项目的研究取得了以下成果。.（1）.具有<001>取向的BaTiO3片状微晶体的合成、组装及择优取向压电材料的制备与应用。通过界面自组装，将具有特定取向的钛酸钡微晶体进行了定向组装获得了具有高度取向性的压电膜。经过进一步组装制备了压电能量收集器件并对环境机械能进行了收集。.（2）.具有<001>取向的BaTiO3纳米线的合成和择优取向压电纤维材料的制备与应用。通过拓扑化学转化制备了具有特定取向的钛酸钡纳米线，并采用溶液纺丝法制备了压电复合纤维材料，并基于此纤维材料制备了可穿戴压电能量收集器件，对人体运动能量进行了收集。.（3）.NaNbO3 片状微晶体的制备及织构化无铅压电膜的制备。采用拓扑化学法制备了具有<001>取向的NaNbO3片状微晶体，并进行了界面组装，以组装膜作为种子层进行了织构化无铅铌酸钾钠压电膜的制备。. 项目研究了具有特定形貌和取向的压电微晶体的合成、组装、器件制备以及应用等系列问题，深入研究了压电微晶体合成过程中的晶体拓扑转换过程和机理、界面组装过程中的工艺参数、择优取向对于压电性能的影响关系和机理以及器件应用于传感和能量收集的工作模式和潜在价值。本项目的研究成果对于理解压电材料的取向调控和性能之间的关系提供了策略和技术路线，对于通过结构调控提升材料性能具有重要参考价值，并且示范了压电材料在能量收集领域的应用，特别是可穿戴能量收集器件的制备，对于便携性的能源供给具有潜在的应用价值。