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自行设计单晶生长炉,用温度振荡自助熔法生长了厚0.2-0.6 mm的薄片状Bi4-xNdxTi3O12(BNdT,x=0,0.5,0.85)铁电单晶。基于正交结构模型,用RIETAN2000软件对BNdT粉体XRD数据进行Rietveld结构精修,预言随Nd含量增加,BNdT会发生正交→四方结构转变。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,氧空位对BNdT单晶中M-O键有较大影响,氧空位易处在伪钙钛矿层,Nd掺杂降低了BNdT单晶中的氧空位浓度。用透射电子显微镜(TEM)在Bi4Ti3O12单晶中分别观察到90°畴和180°畴,并用汇聚束电子衍射直接确定了畴区的自发极化方向；在BNdT (x=0.85)单晶中观察到高密度反相畴界,反相畴提高畴可动性,有利于改善晶体的耐疲劳性。
分别沿a/b轴、c轴和<110>方向测量了BNdT单晶的电滞回线、漏电流特性,结果表明,单晶沿a/b轴的剩余极化值最大,比沿c轴的剩余极化值大得多,从而证实其极化矢量靠近a轴；由于Nd掺杂减小了A位离子相对位移,从而降低了晶体中离子位移极化,因此单晶沿各个方向的剩余极化值随Nd含量增加而减小。Nd含量增加降低了单晶中的氧空位浓度,导致晶体沿各个方向的漏电流降低。由于(Bi2O2)2+层阻碍了氧空位沿c轴迁移,单晶沿c轴表现出比其他两个方向更好的绝缘性。
沿c轴测量了BNdT(x=0.5,0.85)单晶的介电频谱和介电温谱,发现随Nd含量增加,单晶介电常数和介电损耗降低；BNdT(x=0.5,0.85)单晶的居里温度分别为542℃和411℃。通过阻抗分析,估算BNdT(x=0.5,0.85)单晶的电导激活能分别为0.91 eV和0.93 eV。
常温拉曼光谱结果表明,Nd含量增加到一定值,BNdT单晶可能在常温下发生铁电-顺电相转变；位于(Bi2O2)2+层的Bi-O振动模式随Nd掺杂量增加而减弱,表明Nd含量较低时,Nd3+离子仅取代伪钙钛矿层中的Bi3+离子,当Nd含量较高时,部分Nd3+离子开始替换(Bi2O2)2+层中的Bi3+离子。单斜的BNdT在常温下可近似用正交结构描述。100 K-800K变温拉曼光谱结果表明,200 K以下Bi4Ti3O12单晶单斜形变加强,Nd掺杂缓解了其在200K以下的这种单斜形变；BNdT单晶软模消失所对应的温度随Nd含量增加而降低,说明Nd掺杂导致BNdT单晶的居里温度降低。
紫外-可见光谱结果表明,BNdT单晶具有间接带隙跃迁的特点,单晶的禁带宽度随Nd掺杂量增加而减小。