位错和界面等微观缺陷广泛存在于材料中,并对其力学、物理和化学等各方面性能具有重要影响。由于原子结构和电子结构的改变,材料中的微观缺陷经常表现出体材料所不具备的特殊物理性质,为材料性能提升和新功能开发提供了重要的机会。研究材料微观缺陷的原子与电子结构及其物理特性,并建立起它们之间的联系,对深入理解材料结构-性能关系和新材料与新器件研发具有重要意义。Fe2O3是重要的过渡族金属氧化物功能材料,常见的晶型有α、β、γ和ε等。根据晶体结构的不同,Fe2O3中Fe离子的磁性交换与耦合方式差别很大,可表现出反铁磁性、铁磁性和多铁性等丰富的物理性质,在自旋输运、光电催化、磁性存储和高频铁磁响应等领域有很好的应用前景。由于位错和界面等微观缺陷将改变局域的应力状态、化学计量比、及Fe-O键的键长键角等,从而对Fe2O3的磁学和电学性质产生重要影响,因此有必要系统开展有关Fe2O3微观缺陷的结构与物性的研究工作。本论文致力于α-Fe2O3和ε-Fe2O3微观缺陷的结构-性能关系研究,在脉冲激光沉积薄膜制备的基础上,利用先进透射电子显微术、原子力显微镜和第一性原理计算等方法,深入研究了 α-Fe2O3的位错与孪晶界以及ε-Fe2O3的铁电畴壁等微观缺陷的原子与电子结构及其电学与磁学性能,揭示了 Fe2O3微观缺陷新颖电学与磁学性质形成的物理机制,为推动其应用提供了重要的科学依据。取得的主要研究成果如下:（1）利用脉冲激光沉积技术在Al2O3（0001）和SrTiO3（111）衬底上外延生长了α-Fe2O3薄膜,优化了薄膜制备工艺,分析了沉积温度等工艺参数对薄膜质量和表面形态的影响。利用透射电子显微术表征了薄膜中贯穿位错的密度、类型与结构。研究发现Al2O3衬底上生长的α-Fe2O3薄膜中贯穿位错的密度要高于SrTiO3衬底的薄膜,这是由于两者的界面类型不同所致,α-Fe2O3/Al2O3界面是半共格界面,而α-Fe2O3/SrTiO3界面是非共格界面。两种薄膜中的贯穿位错类型也存在差别,其中α-Fe2O3/Al2O3体系中的贯穿位错主要是1/3＜1100＞不全位错,而α-Fe2O3/SrTiO3体系中的贯穿位错除了 1/3＜1100＞不全位错之外,还存在许多1/3＜1101＞位错。（2）提出了单根位错结的理念,设计并构建了以α-Fe2O3贯穿位错为阳极、Nb掺杂SrTiO3衬底为N型半导体的位错结。为此,利用脉冲激光沉积技术在Nb-SrTiO3（111）衬底上生长了 α-Fe2O3薄膜,利用导电原子力显微镜对位错结的电学特性进行了测量,发现位错结具有在正向偏压下导电而反向偏压下不导电的单向导电性、以及在循环电压下呈现高-低电阻态的整流特性。为了揭示位错导电性的形成机理,利用像差校正透射电子显微术表征了贯穿位错核心的原子结构和Fe离子价态,发现位错核心处存在Fe2+和Fe3+离子并存的现象。第一性原理计算表明,1/3＜1010＞和1/3＜1101＞贯穿位错核心的费米面上都存在电子态,呈现电子导电的特性。（3）利用像差校正透射电子显微术和第一原理计算结合的方法,研究了 α-Fe2O3孪晶的原子与电子结构及界面磁性耦合。通过调控薄膜制备方法和工艺,在α-Fe2O3薄膜中获得了孪晶面分别为（1010）和（0001）晶面的两类孪晶结构。利用像差校正电镜的高角环形暗场像（HAADF）和环形明场像（ABF）测定了两类孪晶界的原子构型,并通过第一性原理计算分析了这些孪晶界面的磁性耦合方式及其形成机理。（4）利用高能Ar离子轰击实现了 α-Fe2O3→ε-Fe2O3的相变,通过第一性原理计算分析了该相变的相变路径和原子结构演化。利用像差校正透射电子显微术对ε-Fe2O3薄膜中的两类尾对尾180°铁电畴壁进行了细致的结构表征,确定了其原子构型并分析了畴壁附近的原子位移。第一原理计算表明,Ⅰ型铁电畴壁由于束缚电荷密度低,出现了铁电极化显著增强（43%）的现象,而Ⅱ型铁电畴壁由于束缚电荷密度高,铁电极化减弱。界面磁性耦合的理论计算表明,Ⅰ型铁电畴壁易形成反铁磁耦合,而Ⅱ型铁电畴壁易形成铁磁耦合,两种铁电畴壁处的磁矩均有不同程度的减小。