磁电耦合效应和多铁性材料由于其在新型存储器件和自旋电子学方面的潜在应用价值,引起了研究者们极大的兴趣。磁电耦合效应是指材料中电场和磁场的耦合。磁电耦合效应使得电场控制材料的磁化与磁场控制材料中的电极化成为可能。磁电耦合系数的上限是材料介电常数与磁导率的乘积,由于大多数材料不同时具有高介电性和磁性,这导致了一直没有发现显著的磁电耦合效应。而单相多铁性材料,由于同时具有铁电性和磁性,因此是最有可能具有显著磁电耦合效应的材料。另一方面,在传统的磁存储材料中,利用自旋向上和自旋向下两个状态作为存储单位,随着对存储密度的不断追求,迫切需要寻找新的存储材料。在理想的单相多铁材料中,同时存在着铁电极化和铁磁极化两种效应,即存在四种存储状态,因此多铁性材料被称为信息存储的终极材料。然而,在传统的材料中,铁磁性与铁电性是互斥的。在传统的钙钛矿结构铁电材料中,铁电畸变的发生要求B位离子上的d轨道是空的,即d0结构。而磁性材料中,磁矩大多来源于d电子。这个矛盾导致了多铁性材料的稀少。最近,两种铋基钙钛矿材料,铁酸铋(BiFeO3)和锰酸铋(BiMnO3)被发现具有多铁性。这两种铋基钙钛矿材料中的铁电性是由三价铋离子上的Bi：6s2的孤对电子诱发的,而磁性则来源于B位上过渡金属的3d电子间的耦合。但是这两种材料都不是理想的多铁材料。铁酸铋是反铁磁结构而锰酸铋的铁磁居里温度很低,且这两种材料的磁电耦合都比较弱,这些缺点限制了它们作为多铁材料的实际应用。为了得到同时具有室温铁磁性和室温铁电性的单相材料,一些研究者将过渡金属元素掺杂进铁电材料中,而且他们确实在这些掺杂的材料中发现了室温铁磁性。然而,由于他们掺杂的母体材料多为钛酸钡、铌酸锂等,掺杂的过渡金属元素多占据钙钛矿中的B位,因此破坏了铁电性的来源。实现磁电耦合效应的另一途径是制备铁电/铁磁异质结构。从对称性考虑,铁电／铁磁界面既是时间反演对称性破缺,也是空间反演对称性破缺的,而这正是磁电耦合存在的先决条件。在界面处,铁磁体中的过渡金属离子与铁电体中的离子成键。当铁电极化方向在外电场的作用下反转时,界面处原子的位置和成键也会随着改变,从而改变界面处的磁矩分布。一种典型的铁电/铁磁异质结构是钛酸钡/铁(BaTiO3/Fe)异质结,第一性原理计算的研究结果表明,当铁电体从一种极化状态变为反向的极化状态时,Fe层的磁矩可以改变0.03μB/Fe。这实现了界面处磁电耦合的重要一步。然而,后续的对其他铁电/铁磁异质结构的理论和实验研究发现,铁电极化方向反转仅能微小的改变界面处磁矩的大小,而界面的磁化方向和自旋序却没有改变。外电场调控磁化方向和自旋序两点正是实现磁电耦合器件十分重要的效应。在探寻磁电耦合效应和多铁性材料的过程中,第一性原理计算发挥了十分重要的作用。借助于第一性原理计算的方法,铁酸铋的自旋结构和铁酸铋中孤对电子对铁电性的作用这两个对多铁材料中的重要问题才被阐释清楚。而钛酸钡/铁异质结构中的磁电耦合效应,更是首先被运用被第一性原理计算的方法预测出来,接着被实验证实。在本论文中,我们运用第一性原理计算去研究过渡金属原子掺杂铝酸铋的磁性和铁酸铋/铁界面的磁电耦合这两个问题,试图通过掺杂改性和制备新的异质结构两种途径,去寻找可能的多铁性材料和磁电耦合效应。作为铋基钙钛矿铁电体中的一种,铝酸铋(BiAl03)的铁电性也是起源于Bi：6s2上的孤对电子。由于B位上是非磁性元素的铝原子,因此BiAl03不具有磁性。我们通过掺杂过渡金属原子,替代部分铝原子,期望在掺杂的体系中引入铁磁性,同时,由于A位上的铋原子没有被替换,因此铁电性不会收到影响。我们通第一性原理计算的方法研究了过渡金属(铬、锰、铁)掺杂铝酸铋的电子结构和磁性。研究结果发现,在铝酸铋中掺杂锰原子可以得到高温铁磁性,同时掺杂后的体系仍然保持绝缘性。我们进一步用DFT+U的方法验证了由掺杂的Mn原子引起的铁磁性,并用超交换相互作用解释了这种铁磁性的来源。形成能的计算表明,Mn原子在铝酸铋中有很高的溶解度,因此我们进步一研究了更高掺杂浓度的情况。在更高的浓度下,掺杂的锰原子在铝酸铋中趋向于靠近,形成铁磁性耦合的团簇结构,这为材料出现宏观铁磁性提供了保证。而其他两种过渡金属(铬和铁)的掺杂,均不能引入铁磁性。在现有的铁电／铁磁异质结构中,界面处的磁电耦合效应非常微弱,铁电极化状态的改变只能轻微改变界面处的磁矩大小,并无法使磁矩反转。因此我们提出了多铁/铁磁异质结构,利用多铁材料和铁磁材料的自旋有序结构在界面处的耦合,来进一步增强界面的磁电耦合效应。我们采用典型的多铁性材料铁酸铋和典型的磁性材料金属铁,构建了铁酸铋/铁异质结构,用第一性原理计算的方法,研究了这种多铁/铁磁异质结构的电子结构和磁电耦合。计算结果表明,当铁电极化方向朝向铁原子层时,单层铁原子层内为反铁磁耦合,总磁矩为0。当铁电极化反向时,即铁电极化方向背离铁原子层,铁原子层内耦合变为铁磁,每个铁原子表现出3.5μB的静磁矩。铁金属层内磁性耦合方式改变的原因是,铁电极化状态的改变,导致界面处原子的相对位置,引起了成键方式的改变。因此,在铁酸铋/铁异质结构中,电场能够通过改变铁电极化的方向来改变界面处铁磁层的磁交换作用,引起部分磁矩的反转,从而实现了电场对自旋状态的调控。同时,这种多铁/铁磁异质结构中的磁电耦合效应,比铁电/铁磁异质结构中的大一个数量级。