高性能钛酸铋钠基钙钛矿材料亚稳结构成相机制及制备研究

Sodium bismuth titanium, Na0.5Bi0.5TiO3 (NBT), is a typical A-site compound perovskite lead free piezoelectric material. It has been extensively investigated due to its outstanding ferroelectric properties and application potential. Based on the intrinsic characters of structure and phase transition for NBT, the properties may be improved according imposing some exterior factor (pressure and temperature) and forming some metastable structure. In this project, using first-principles calculations and molecular dynamics method, the metastable phase transitions, electronic structure and polarization characteristics for the NBT-based perovskite structure will be theoretically studied under high pressure, and the structure of the temperature - pressure modulation of the NBT metastablethermodynamic evolution and hydrothermal environment simulation will be further explored, then, it will be put forward for the preparation of the NBT metastable structure of the theoretical model and environmental parameters under the control of temperature, pressure, and many other factors. By optimizing the parameters of the hydrothermal environments and adjust the experimental process parameters on the basis of the above researches, the NBT nanocrystals with good characteristics of metastable structure and morphology will be repared by the ultra-high pressure hydrothermal reactions.And then combined with the characterization and analysis of structure, scale, form and micro-defects in the piezoelectric properties of the NBT metastable structure, the effect of the perovskite NBT metastable structure on the piezoelectric properties will be explored, the physical nature of the NBT metastable structure with excellent piezoelectric properties will be clarified. The project will help to understand the enssence and resource of the ferroelectric in NBT deeply, and benifit to develop higher performance lead free piezoelectric apparatus.

Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）作为典型A位复合钙钛矿结构无铅压电材料,具有良好的铁电压电活性，极具应用前景。基于NBT的结构特征与相变特性，若施加外场(压力、温度)，将诱导生成亚稳结构，其性能有望获得极大提升。本项目理论上采用第一原理计算与分子动力学方法，研究高压作用下NBT基钙钛矿结构亚稳相变、电子结构及其极化特性，并探索温度-压力调制下的NBT亚稳结构的热力学演化，提出温度、压力等多因素控制下制备NBT亚稳结构的理论模型与环境参数。在此基础上，通过优化水热环境参数及调整实验工艺参数，采用超高压水热反应制备出具有亚稳结构特征的NBT纳米晶体。结合结构、尺度、形态与微缺陷的表征与分析，进行NBT亚稳结构的压电性能测试。探索钙钛矿NBT亚稳结构对其压电性能的影响机理，澄清NBT亚稳结构具有优异压电性能的物理本质及根源。本项目的开展将有助于深入理解和研究NBT铁电压电性的本质和来源。

Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）作为典型A 位复合钙钛矿结构无铅压电材料，具有良好的铁电压电活性，极具应用前景，一直以来被广泛关注。本项目首先以NBT基无铅压电材料为研究对象，基于密度泛函第一原理方案，研究了其准确的基态的电子结构，并分析了其极化机制和性能预测，该研究开展将有助于深入理解和研究NBT 铁电压电性的本质和来源。在此基础上，通过实验工艺调整，优化水热环境参数，实现了立方块状NBT单晶的纳微尺度的高压水热法的可控制备，并采用超高压水热反应制备出了具有亚稳结构特征的片层状NBT 纳米晶体和纳米线状Na-Ti-O中间过渡相。基于理论研究和实验结果，给出温度、反应物浓度等多因素控制下NBT 晶体结构的生长模型与环境参数。结合结构、尺度、形态与微缺陷的表征与分析，基于先进的微观探测分析设备的原位分析手段实现了纳米尺度NBT单晶的电学性能及储能特征的测试研究。 探索钙钛矿NBT纳米结构对其压电性能的影响机理，澄清NBT纳米亚稳结构具有优异压电性能的物理本质及根源。研究中我们发现了水热合成条件下纳米结构NBT具有丰富的形貌调制特性，基于此，我们研究了其NBT纳米结构水热合成中的相变演化规律与形貌调控机制，并提出了NBT纳米结构形貌演化的热力学模型。进一步地，我们也开展了钙钛矿KNbO3纳米单晶的结构相变及性能研究工作，作为拓展性工作，以更深入理解和研究钙钛矿结构铁电压电材料的本质和调控。我们的研究成果将为新型高性能NBT基无铅压铁电纳米器件的研制与开发提供制备基础与理论指导。