宏观块材铁酸铋（BiFeO₃）是目前研究最深入、最有前景的单相多铁性材料。

• 多铁性 (Multiferroics): 这是BFO最核心、最重要的特性。多铁性是指材料在同一相中同时具有两种或两种以上的“铁序”，如铁电性、铁磁性（或反铁磁性）、铁弹性。BFO在室温下同时表现出：
  • 铁电性: 具有极高的居里温度（Tᴄ ≈ 830 °C）和巨大的剩余极化强度（Pr > 90 μC/cm²）。
  • 反铁磁性: 具有较高的尼尔温度（Tɴ ≈ 370 °C），其磁序是一种G型的反铁磁结构。
• 磁电耦合效应 (Magnetoelectric Coupling): 在多铁性材料中，不同的铁序之间不是孤立的，而是相互耦合的。在BFO中，存在显著的磁电耦合效应，即可以通过施加电场来调控其磁性，或通过施加磁场来调控其铁电性。这一特性是其在下一代低功耗信息存储（如磁电随机存储器MERAM）和自旋电子学器件中具有革命性应用潜力的根源。
• 合适的带隙与可见光吸收: BFO具有~2.2-2.7 eV的直接带隙，使其能够高效地吸收可见光，是其作为可见光光催化剂和铁电光伏材料的基础。

当BFO的尺寸缩小到纳米尺度时，其磁学和光电性质会受到强烈的尺寸效应影响。

• 尺寸诱导的弱铁磁性: 块材BFO是一种具有空间调制的螺旋自旋结构的反铁磁体，其宏观净磁矩几乎为零。当其尺寸缩小到小于其自旋螺旋周期（~62 nm）时，这种长程的螺旋磁序被破坏，导致其反铁磁晶格中未被完全补偿的磁矩显现出来，从而表现出显著的弱铁磁性。

对于BiFeO₃这种ABO₃型钙钛矿氧化物，其应用面临两大挑战：高漏电流和弱磁性。通过用其它金属离子取代晶格中的Bi³⁺（A位）或Fe³⁺（B位）离子，是解决这些问题的最核心策略。

目标: 降低漏电流，增强磁性。

• 稀土离子（La³⁺, Nd³⁺, Sm³⁺等）取代: 这是最常用的改性方法。用化学性质更稳定的稀土离子取代化学活性较高、易挥发的Bi³⁺，可以：
  • 降低漏电流: 减少由铋挥发导致的氧空位浓度，从而显著降低材料的漏电流，改善其铁电性能。
  • 增强磁性: 稀土离子的取代可以破坏BFO的螺旋自旋磁序，从而释放出净的磁矩，显著增强其弱铁磁性。

目标: 增强磁性，调控能带结构。

• 过渡金属离子（Mn, Co, Ni等）取代: 用其它磁性离子取代Fe³⁺，可以改变其磁交换作用，从而调控其磁学性质。
• 钛（Ti⁴⁺）取代: 用Ti⁴⁺取代Fe³⁺可以有效地降低其带隙，增强其对可见光的吸收，从而提高其光催化和光伏性能。

铁酸铋（BFO）纳米颗粒作为一种化学性质稳定且能高效吸收可见光的半导体，在光催化和压电催化领域是一种极具潜力的多功能催化剂。

这是BFO在催化领域最重要的应用。

• 优势: BFO具有~2.2-2.7 eV的合适带隙，使其能够高效地利用可见光（占太阳光谱的~45%），这是宽带隙半导体（如TiO₂, ZnO）无法比拟的巨大优势。
• 铁电内建电场: BFO的铁电性会在其内部产生一个强大的内建电场。这个电场可以高效地促进光生电子和空穴对的分离，抑制其复合，从而极大地提高了光催化量子效率。
• 应用: BFO纳米颗粒在可见光照射下，可以高效地分解水产氢/产氧，或降解水体中的有机染料、抗生素等污染物。

BFO是一种优异的压电材料，因此也可以用于压电催化。

• 原理: 通过施加超声波等机械振动，利用BFO的压电效应在其表面产生压电场，驱动氧化还原反应，从而降解有机污染物。

铁酸铋纳米颗粒（BFO NPs）的多铁性为其在多模态生物成像领域提供了独特的可能性，但相关研究尚处于探索阶段。

理论上，BFO纳米颗粒可以作为一种潜在的磁共振/二次谐波双模态成像探针。

• 磁共振成像 (MRI): BFO纳米颗粒的弱铁磁性可以使其作为一种T₂造影剂。
• 二次谐波成像 (SHG): BFO的非中心对称铁电结构使其具有二次谐波产生效应，可以作为一种无标记的光学成像探针。

铁酸铋纳米颗粒（BFO NPs）在治疗领域的应用独树一帜，主要利用其独特的物理化学性质，实现多模式协同的肿瘤治疗。

• 化学动力学治疗 (CDT):
  • 原理: BFO纳米颗粒在肿瘤的酸性微环境下会部分溶解，释放出的Fe³⁺/Fe²⁺离子可以催化肿瘤内的H₂O₂发生类芬顿反应，产生大量剧毒的羟基自由基（•OH）。
• 光动力学/光热治疗 (PDT/PTT):
  • 原理: BFO在可见光照射下，既可以产生电子-空穴对，进而生成活性氧（PDT效应），又可以因晶格振动而产热（PTT效应）。
• 声动力学治疗 (SDT):
  • 原理: 利用BFO的压电效应，在超声波作用下产生压电场，催化产生ROS。
• 优势: BFO是少数几种能够被多种外部能量场（光、声、磁、电）激活的纳米材料，这使其在构建响应多种刺激的、协同增效的肿瘤治疗平台方面具有无与伦比的潜力。

铁酸铋（BFO）由于其组分元素（铋、铁、氧）均被认为是低毒或生物相容的，因此普遍被认为具有良好的生物相容性和低细胞毒性。

• “绿色”的元素组成: BFO由生物相容的铋（Bi）、生物必需的铁（Fe）和氧元素组成。特别是铋，许多铋的化合物（如次水杨酸铋）是临床上常用的胃药，具有良好的安全性。
• 高化学稳定性: BFO的钙钛矿晶格结构非常稳定，在生理环境中（除强酸性条件外）极难溶解，因此其离子的释放量极低。

由于其优异的生物相容性和低毒性，BFO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、相纯的铁酸铋纳米颗粒的合成，由于其复杂的相图和铋的易挥发性，具有一定的挑战性。

这是制备高质量、单晶BFO纳米颗粒最常用的方法。

• 原理:
  1. 前驱体制备: 在水或有机溶剂（如乙二醇）中，将可溶性的铋盐（如Bi(NO₃)₃）和铁盐（如Fe(NO₃)₃）按照化学计量比（Bi:Fe = 1:1）精确地混合。
  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，并控制水解速率。
  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180-240 °C）加热数小时至数十小时。在高温高压下，前驱体水解、共沉淀并原位晶化，形成钙钛矿结构的BFO。
• 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BFO纳米颗粒，并能有效抑制杂相（如Bi₂₅FeO₄₀, Bi₂Fe₄O₉）的生成。

这是一种经典的、可以实现原子级均匀混合的合成方法。

• 原理: 将铋和铁的金属有机盐溶解在溶剂中，加入络合剂（如柠檬酸），通过加热形成均匀的凝胶，然后高温煅烧得到BFO纳米颗粒。

对铁酸铋纳米颗粒（BFO NPs）的精确表征是评估其多铁性能的关键。对其晶体结构和物相纯度的表征尤为重要。

• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD) 是确认样品是否为纯的菱方钙钛矿结构的最关键技术。由于BFO的合成极易产生其它杂相（如Bi₂₅FeO₄₀, Bi₂Fe₄O₉），因此必须对XRD谱图进行仔细的物相鉴定，以确保其相纯度。
• 拉曼光谱 (Raman): 拉曼光谱对BFO的R3c空间群结构极其敏感，具有多个特征的拉曼振动峰。因此，拉曼光谱是辅助XRD进行物相鉴定的有力工具。

• 铁电性能: 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。对于薄膜，可以使用铁电测试仪测量其电滞回线。
• 磁学性能: 使用振动样品磁强计（VSM）测量样品的磁滞回线。BFO纳米颗粒的磁滞回线通常非常窄，饱和磁化强度很低，表现出弱铁磁性特征。

铁酸铋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BFO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。

• 二氧化硅包覆: 在BFO核表面包覆一层二氧化硅（SiO₂）壳，形成BFO@SiO₂核-壳结构。这是最常用、最有效的表面修饰策略。这层SiO₂壳可以：
  • 提高分散性: SiO₂表面富含亲水性的硅醇基，可以极大地提高其在水中的分散性和胶体稳定性。
  • 提供功能化平台: SiO₂表面可以通过成熟的硅烷化学，方便地引入氨基、羧基等官能团，用于后续的生物偶联。
  • 提高生物相容性: SiO₂壳可以有效地将磁电核与生物环境隔绝。
• 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BFO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。