1.项目立项背景

本项目"具有异质外延界面的纳米复合及其元器件关键技术"一部分来自于国家级、省市级纵向课题，另一部分受企业委托，与其开展校企合作横向合作。项目的运行旨在改善一些陶瓷及其元器件的介电、压电、铁电性能和储能密度，提升其多功能性和温度稳定性，改进阵列电化学适体传感器的灵敏度、选择性、检测效率、多通道性，给出新的科学发现点，创造新的科学价值，服务区域经济社会发展。

2.主要研究内容

（一）构建异质外延界面开发高性能纳米复合电子陶瓷及其元器件。采用旋转涂布、磁控溅射、异质外延生长和反应模板颗粒生长等技术，采取水热法、固相法、常压水相法，引入三维高密度异质外延界面，开发出了系列高性能纳米复合电子陶瓷/薄膜及其电子元器件，研究三维高密度异质外延界面与纳米复合陶瓷材料的物理性能的关系。（二）基于多层织构化纳米复合钛酸盐压电陶瓷的阵列电化学适体传感器。制备具有有序纳米阵列外延异质界面的多层织构化纳米复合钛酸盐陶瓷，将纳米复合钛酸盐陶瓷用于电化学传感器传感电极，讨论灵敏度、选择性、检测效率、同时检测目标物质种类等与其阵列纳米结构的关系。（三）钛酸钡基"芯-壳"结构陶瓷材料的制备及其介电性能、储能密度调控。以钛酸钡基钛酸盐为"芯"，以过渡金属氧化物为"壳"，运用常压水相法、水热法、熔盐法等技术，制备单层或多层"芯-壳"结构钛酸钡基陶瓷材料。通过调控"芯-壳"比例、陶瓷的晶粒尺寸、陶瓷粉体的单分散性，探究温度稳定性、介电性能、储能密度与钛酸钡基"芯-壳"结构陶瓷材料纳米结构的关联性。

3.科学发现点

在项目研究过程中，我们挖掘了以下科学发现点：（1）以介观晶体结构及性能为靶点研究开发新型纳米复合体择优取向陶瓷材料；（2）为材料引入异质外延界面，可以综合运用展畴工程（Domain engineering）、取向工程（Orientation engineering）和应变工程（Strain engineering），能大幅提升材料的介电、压电和铁电性能；（3）提供了一种以层状金属氧化物单晶为前驱体，运用分步溶剂热软化学方法制备高取向性纳米复合陶瓷材料的新方法；（4）将纳米复合钛酸盐陶瓷用于电化学传感器传感电极，当电化学传感器在检测物质时，由于逆压电效应所产生的电信号可被检测器可靠、稳定的接收，因此所制得的阵列电化学适体传感器具有高灵敏度、高选择性、高效率、同时检测多种目标物质等特点。（5）通过调控"芯-壳"比例、陶瓷的晶粒尺寸、陶瓷粉体的单分散性，不但可以提高陶瓷材料的温度稳定性，而且在提升介电性能的同时还可以提高击穿场强，促使储能密度提升。（6）通过改变金属氧化物的掺杂量，可以有效调控钛酸钡基陶瓷材料的介电性能和改善其温度稳定性。

4.科学价值

本项目的各项阶段性研究工作已经预期完成，并取得许多研究成果，其科学价值主要表现在以下几点：（1）建立了在晶体、陶瓷颗粒间人工引入三维高密度异质外延界面开发高性能纳米复合陶瓷材料的系列新技术，给出引入三维高密度异质外延界面能大幅提升陶瓷材料的介电、压电和铁电性能的初步理论，为构建和设计高性能纳米复合陶瓷材料开创了新思路。（2）初步解决了阵列陶瓷电极上多种组分同时固定产生的交叉干扰，揭示适体结构和构象变化与传感器分析特性的关系；解决了电极集成化和阵列化后点样方法、多信号处理等一些基础性问题，为灵敏、快速的检测目标分子提供良好的分析方法。（3）建立了制备钛酸钡基"芯-壳"结构陶瓷材料的新技术，给出了高温度稳定性、高介电性能、高储能密度钛酸钡基"芯-壳"结构陶瓷材料的形成机制。

5.同行引用及评价情况

本项目的代表性论文（8篇）主要发表在《Chemistry of Materials》、《Scripta Materialia》、《Journal of the European Ceramic Society》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Ceramics International》等国际著名期刊，引起了相关领域学者的关注并得到认可，已经被《Advanced Functional Materials》、《Scientific Reports》、《Chemistry of Materials》、《The Journal of Physical Chemistry A》、《Physical Review Applied》、《Journal of the European Ceramic Society》、《Journal of the American Ceramic Society》、《Journal of Material Chemistry C》等国际著名期刊引用和好评，其中SCI他引49次，总体认为研究开发具有异质外延界面的纳米复合陶瓷材料及其元器件在新材料开发领域提供了新的拓展方向，不但理论性很强，而且非常具有应用价值，具有很高的社会效益和经济效益。