层状类钙钛矿铁电材料的结构与性能调控

层状类钙钛矿结构铁电压电材料是具有特殊结构和性能的一大类重要功能材料，本项目紧密围绕微结构设计、计算、表征与性能的相互关系，实现结构与性能调控。通过第一性原理计算、元素掺杂取代和工艺控制优化等方法，制备出结构新颖的复合伪钙钛矿结构层状、共生结构和晶粒高度取向的铁电压电材料；通过计算复杂组成材料的电子结构，分析和预测其铁电、铁磁、光学和力学性能；结合同步辐射、透射电镜和分析电镜对其成分、缺陷有序性以及晶界效应等微结构的精细表征和物性的交流阻抗谱、介电谱、铁电/压电、铁磁性等分析结果，揭示层状类钙钛矿结构中相结构、自发极化、电畴及其开关动力学过程，探明铁电性增强的物理机制，阐明缺陷、空间电荷、畴壁及其在电场作用下的驰豫规律；系统研究材料的各向异性及其优化设计，探索提高改善材料电性能和可靠性的有效途径。为高性能铁电存储器材料、高温无铅压电材料以及新功能材料的应用提供实验和理论基础。

在2010-2013的四年期间，项目组对层状类钙钛矿结构铁电陶瓷材料的结构设计、微结构的演化、缺陷形成及其控制、性能优化、新材料设计与合成、以及力-电-光耦合效应等开展了深入系统的研究，取得如下主要成果：. (1). 开展了 (23) 共生结构的形成机理、微结构缺陷及其规律研究。提出共生结构是经反应烧结的“溶解-析出过程”，建立了液相纳米颗粒结构重组的共生机制模型; . (2). 在计算模拟和实验观察的基础，设计并合成成功3种新的层状结构化合物，尤其是对(223)排序的共生结构层状化合物的合成条件、微结构特征等，进行了系统的研究；. (3). 发现并揭示了在陶瓷晶界处金属铋的产生、形成机理和控制方法。在铋层状共生结构瓷中发现了金属Bi相的存在，揭示了晶界铋的产生、晶粒表面外延生长机制、以及反应烧结动力学过程。同时，发现在[Bi2O2]层中发生氧化还原反应而产生的层变缺陷，并建立了相应的原子结构模型。 . (4). 通过层状化合物前驱体、拓扑化学微晶反应等方法，获得了系列的片状钙钛矿结构模板晶种；结合多种烧结技术（SPS、热压、微波）获得了高织构化、致密的、性能优异的层状铋陶瓷材料。. (5). 通过施主、受主掺杂以及在层状结构中的占位控制，提高了陶瓷材料的介电、铁电和压电性能。通过在层状铋铁电压电材料中的稀土掺杂及其发光特性的研究，进一步探索了“力-电-光”之间的耦合效应。 . 在四年的项目执行期间，共发表和投稿论文79篇，申请专利21项，已经授权12项。培养毕业的博士研究生12人, 硕士生8人；在读博士研究生5人，硕士研究生3人，博士后1人。