宏观块材钛酸钡（BaTiO₃）是应用最广泛、研究最深入的无铅铁电/压电陶瓷，是现代电子工业的基础材料之一。

• 钙钛矿结构与铁电性: 这是BaTiO₃最核心的特性。在居里温度（~130 °C）以上，BaTiO₃是具有中心对称的立方钙钛矿结构，表现为顺电性。当温度降至居里温度以下，其晶格会发生相变，转变为不具有中心对称的四方相。在这种结构中，中心的Ti⁴⁺离子会相对于周围的氧八面体发生微小的位移，从而产生一个永久的自发电偶极矩。这些电偶极矩可以在外电场下发生翻转，这一特性被称为铁电性。
• 压电性与电致伸缩: 由于其不具备中心对称性，四方相的BaTiO₃是一种优异的压电材料，能够实现机械能与电能之间的相互转换。同时，它也具有很强的电致伸缩效应。
• 极高的介电常数: BaTiO₃具有非常高的介电常数（可达数千），是制造多层陶瓷电容器（MLCC）的核心材料。

当BaTiO₃的尺寸缩小到纳米尺度时，其铁电和压电性质会受到强烈的尺寸效应影响。

• 尺寸依赖的铁电相变: 这是BaTiO₃纳米颗粒最重要的纳米效应。随着颗粒尺寸的减小，其居里温度（Tᴄ）会显著下降。当尺寸减小到某一临界尺寸以下时（通常为10-30 nm），其在室温下会稳定在中心对称的立方顺电相，从而失去铁电性。如何在大比表面积下维持纳米颗粒的铁电性，是该领域的核心挑战。
• 增强的压电响应（理论上）: 理论计算表明，在单畴状态下，纳米级的BaTiO₃可能具有比块材更强的压电响应。

对于BaTiO₃这种ABO₃型钙钛矿氧化物，通过用其它金属离子取代晶格中的Ba²⁺（A位）或Ti⁴⁺（B位）离子，是精细调控其介电、铁电和压电性能的最核心策略。

目标: 用其它二价金属离子（如Sr²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺）部分取代Ba²⁺的位置。

• 调控居里温度: 取代离子的种类和尺寸会改变晶格的对称性和相变温度。例如，用锶（Sr）取代钡，可以有效地将居里温度从130 °C降低至室温甚至更低。而用钙（Ca）取代，则可以提高居里温度。

目标: 用其它四价或三价/五价离子对（如Zr⁴⁺, Sn⁴⁺, Hf⁴⁺）部分取代Ti⁴⁺的位置。

• 构建弛豫铁电体: 用锆（Zr）取代钛，形成BZT固溶体，可以构建出具有弥散相变特征的弛豫铁电体，在储能电容器中具有重要应用。
• 改善介电性能: 通过掺杂可以有效地调控介电常数的温度稳定性，以满足不同类型电容器的需求。

钛酸钡（BaTiO₃）纳米颗粒作为一种宽带隙半导体，其独特的铁电和压电性质为其在催化领域开辟了全新的方向——压电催化和铁电催化。

这是BaTiO₃在催化领域最前沿、最独特的应用。

• 原理:
  1. 将BaTiO₃纳米颗粒分散在含有有机污染物的溶液中。
  2. 通过施加一种机械振动源（最常用的是超声波），使BaTiO₃纳米颗粒在溶液中不断地受到挤压和拉伸。
  3. 在这种动态应力的作用下，BaTiO₃的表面会交替地产生正负压电电荷，形成一个压电场。
  4. 这个压电场可以有效地驱动水分子或污染物分子发生氧化还原反应，产生活性氧物种（ROS），从而将有机污染物降解为无害的小分子。
• 优势: 压电催化是一种将环境中无处不在的机械能（如振动、水流、声波）直接转化为化学能的新型催化技术，无需光照或电能输入，是一种极具潜力的“暗”催化技术。

BaTiO₃具有~3.2 eV的带隙，使其能够吸收紫外光，可用于光催化降解污染物和分解水。

钛酸钡纳米颗粒（BaTiO₃ NPs）独特的压电性和非线性光学效应，使其在生物成像和生物传感领域具有独特的应用潜力。

• 二次谐波成像 (SHG):
  • 原理: BaTiO₃的四方相晶体不具备中心对称性，因此具有很强的二次谐波产生（SHG）效应。当用近红外飞秒激光照射时，它可以将两个入射光子合并，产生一个频率为其两倍、波长为其一半的出射光子。
  • 优势: SHG是一种非线性的相干散射过程，无需任何荧光标记，且几乎没有光漂白问题。利用这一特性，可以将BaTiO₃ NPs作为一种超稳定的、无背景的成像探针，用于长时程的细胞追踪。

• 压电生物传感器:
  • 原理: 将生物识别分子（如抗体）固定在BaTiO₃纳米颗粒的表面。当目标生物分子（如抗原）与之结合时，其质量的微小增加会改变纳米颗粒的共振频率。通过测量共振频率的变化，可以实现对生物分子结合事件的无标记、超高灵敏度检测。

钛酸钡纳米颗粒（BaTiO₃ NPs）在治疗领域的应用独树一帜，主要利用其独特的压电效应，实现由超声波驱动的“声动力学”治疗。

这是一种利用声敏剂将低强度超声波的能量转化为化学能，以杀死癌细胞的新型治疗方法。

• 原理:
  1. 将BaTiO₃纳米颗粒靶向递送到肿瘤部位。
  2. 使用对生物组织无害的、具有深层穿透能力的低强度聚焦超声波（LIFU）照射肿瘤区域。
  3. 在超声波的机械振动作用下，BaTiO₃纳米颗粒的压电效应会在其表面产生压电场。
  4. 这个压电场可以催化肿瘤内的水或氧分子，产生大量具有强细胞毒性的活性氧物种（ROS）。
  5. 产生的ROS会不可逆地损伤癌细胞，诱导其凋亡或坏死。
• 优势: SDT结合了超声波的深层组织穿透能力和纳米材料的靶向性，是一种能够对深部肿瘤进行无创、精准治疗的极具潜力的技术。BaTiO₃是目前性能最优异的无机声敏剂之一。

钛酸钡（BaTiO₃）由于其极高的化学稳定性和较低的离子溶解度，普遍被认为具有良好的生物相容性和低细胞毒性。

• 低离子释放: BaTiO₃的钙钛矿晶格结构非常稳定，在生理环境中极难溶解，因此其钡离子（Ba²⁺）和钛离子（Ti⁴⁺）的释放量极低。这是其被认为具有良好生物相容性的主要原因。（注：可溶性的钡盐具有剧毒，但BaTiO₃中的钡被牢固地锁定在晶格中）。
• 化学惰性: BaTiO₃表面化学性质稳定，不易与生物分子发生非预期的反应。

由于其优异的生物相容性和低毒性，BaTiO₃纳米颗粒在生物医学应用中前景广阔。然而，与所有纳米材料一样，其长期生物安全性仍需系统的研究来证实。

高质量、尺寸和形貌均一的钛酸钡纳米颗粒的合成，通常依赖于在液相中对前驱体进行水解和热处理。

这是制备高质量、单晶钛酸钡纳米颗粒最常用的方法。

• 原理:
  1. 前驱体制备: 在水或醇类溶剂中，将可溶性的钡盐（如Ba(OH)₂, Ba(Ac)₂）和钛的前驱体（通常是钛的醇盐，如钛酸四丁酯TBOT，或非晶的TiO₂）混合。
  2. 添加矿化剂/碱: 加入强碱（通常是氢氧化钠NaOH或氢氧化钾KOH）来提供形成氧化物所需的高碱性环境，并促进前驱体的溶解和反应。
  3. 高压反应: 将混合溶液密封于一个高压反应釜内，在一定温度下（通常150-240 °C）加热数小时至数十小时。在高温高压下，前驱体溶解、反应并原位晶化，形成钙钛矿结构的BaTiO₃。
• 优势: 这种方法可以一步法合成出结晶质量高、形貌均一（如立方体、球形）的BaTiO₃纳米颗粒。

这是一种传统的陶瓷粉末制备方法，成本低廉，适合大规模生产。

• 原理: 将钡的前驱体（如BaCO₃）和钛的前驱体（如TiO₂）的粉末按照化学计量比均匀混合，然后进行高温（通常>1000 °C）煅烧，使其发生固相反应生成BaTiO₃。最后通过球磨等方法将其破碎至纳米尺寸。

对钛酸钡纳米颗粒（BaTiO₃ NPs）的精确表征是评估其介电、铁电和压电性能的关键。对其晶体结构和相变的表征尤为重要。

• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD) 是确认样品是否为纯的钙钛矿结构的最关键技术。通过对衍射峰进行精修，可以区分其是立方相还是四方相。例如，四方相会在立方相的（200）峰附近分裂成（002）和（200）两个峰。
• 拉曼光谱 (Raman): 拉曼光谱对BaTiO₃的晶体对称性极其敏感。中心对称的立方相在理论上没有一级拉曼峰，而四方相则有多个清晰的拉曼特征峰（如~308, 720 cm⁻¹）。因此，拉曼光谱是判断其是否具有铁电性的有力工具。
• 差示扫描量热法 (DSC): 通过测量样品在升温/降温过程中的热流变化，可以精确地确定其居里温度（Tᴄ）等相变点。

• 铁电电滞回线: 使用铁电测试仪测量样品的电滞回线（P-E loop），是确认其铁电性的直接证据。通过电滞回线可以得到其剩余极化强度（Pr）和矫顽电场（Ec）等核心参数。
• 压电响应: 使用压电力显微镜（PFM）可以在纳米尺度上对其压电和铁电畴结构进行成像和定量表征。

钛酸钡纳米颗粒的表面工程是其实现生物医学应用和高级复合材料应用的前提，其核心任务是提高其在各种介质中的分散性和稳定性，并共价连接功能分子。

裸露的BaTiO₃纳米颗粒在生理环境中容易发生团聚并与蛋白质非特异性吸附。

• 硅烷化修饰: BaTiO₃表面富含羟基（-OH），可以通过成熟的硅烷化学，方便地引入氨基、羧基等官能团，或直接连接上PEG链。
• 聚合物包覆: 利用聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、壳聚糖等生物相容性高分子对BaTiO₃进行包覆，同样可以显著提升其在生理环境中的分散性和稳定性。

这是将其用作复合材料填料的关键。

• 硅烷偶联剂: 通过使用硅烷偶联剂，可以在BaTiO₃纳米颗粒的表面引入能够与聚合物基体（如环氧树脂）发生化学反应的官能团。这样可以在填料与基体之间形成牢固的化学键，从而显著提高复合材料的介电或压电性能。