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钛基钙钛矿型铁电体凭借无毒环保、结构稳定和性能优越等特性,在多功能材料领域获得一席之地。其结构组成简单并且对掺杂展示出较高的容忍度,不但可以实现指定格位上的离子替代从而诱导结构转变、带隙窄化和电子自旋状态的改变,还可以实现同多种氧化物的固溶或复合,使材料产生多功能特性。利用多种方式优化后的铁电体在低功耗信息存储器、自旋电子装置和光电能量转换器等设备中展现出广阔的应用价值。伴随着能源需求持续扩大和能源结构转型升级的发展趋势,铁电体光伏效应的研究和利用成为当下关注的热点领域之一。然而,大多数铁电氧化物存在带隙过宽的特点,造成对太阳光谱的利用集中在高频的部分波段,这严重制约铁电光伏器件光电转换效率,因此合成窄带隙铁电体是获得高性能光电转换器件的重中之重。本论文围绕钛基铁电氧化物为核心,制备出Sr0.3Ba0.7Ti O3（SBTO）、Bi0.5Na0.5Ti O3（BNTO）、Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3（BCZTO）以及Ba Ti O3（BTO）等传统铁电材料及其衍生材料并且运用多种方法对铁电体进行优化。通过对材料进行表征,分析了晶体的光电磁学特性及其变化的机理,为合成高性能材料和器件提供新的设计思路。本文的主要创新性成果包括以下几点:1.借助测试手段,分析Sr0.3Ba0.7Ti1-xPdxO3-δ（xSBTPO）薄膜的光学带隙和自旋磁序对于组分的依赖关系。通过溶胶-凝胶法在石英衬底上合成SBTO薄膜,探究出最佳退火温度。同时合成了Pd2+掺杂的xSBTPO薄膜,旨在实现离子掺杂对SBTO薄膜结构和性质的调控。X射线衍射（XRD）数据显示,SBTO薄膜的最佳退火温度是800℃,并且xSBTPO薄膜形成的钙钛矿结构结晶性良好。引入的过渡金属Pd2+导致SBTO薄膜由立方相向四方相转变,B位离子半径的差异造成晶体内部出现晶格应力增加。SEM图像表明xSBTPO薄膜整体比较致密、平整,晶粒的尺寸随着Pd2+离子浓度的提高而逐渐减小。晶粒尺寸减小主要是由于Pd-O键和Ti-O键的键能不同,Pd-O键的形成不利于晶粒的生长,导致晶粒生长速度减缓。xSBTPO薄膜光学透射分析结果表明,吸收边出现红移行为,反映出样品带隙逐渐减小。带隙窄化现象归因于Pd2+离子的d轨道能级分裂并进入到SBTO晶体的导带和价带之间。室温下,0.09SBTPO组分的磁滞回线展示出相对标准的铁磁曲线形状,Ms、Mr和Hc分别为6 memu/cm~3、0.8 memu/cm~3和120 Oe。铁磁现象的产生是由于材料的反铁磁螺旋结构发生变化,掺杂的Pd2+离子造成内部结构畸变,从而引起自旋倾斜角度的增大。2.通过固相反应法合成Co掺杂的Bi0.5Na0.5Ti1-xCoxO3-δ（xBNTCO）陶瓷,实现带隙窄化和室温铁电铁磁的调控。并且制备出Bi0.46Na0.46Ba0.08Ti1-xCoxO3-δ（x BNBTCO）陶瓷,研究过渡金属离子对陶瓷晶体微观形貌、结构转换和光学性质的影响。XRD衍射图谱和拉曼散射图谱显示xBNTCO/x BNBTCO陶瓷具有钙钛矿结构没有出现杂相,但掺杂造成晶体对称性的变化并且发生从三方相到赝立方相的转变。XPS数据表明在掺杂样品中存在晶格氧和氧空位,这是由于离子替换引起氧以气体的形式流失,从而产生氧空位。Co2+离子的引入增加了晶体对光谱的利用范围,xBNTCO和x BNBTCO陶瓷的带隙最低值分别为1.87 e V和1.3 e V。光学带隙的窄化可以解释为:在氧空位稳定的钴离子诱导下,导带底和价带顶之间存在新的电子轨道能级,参与晶体内电子的跃迁,这造成带隙的降低和部分吸收峰的出现。在xBNTCO陶瓷中,室温下掺杂改变了晶体的铁磁性和铁电性。晶体实现了从抗磁性到铁磁性再到顺磁的转变,利用F中心交换理论可以很好的解释这一现象。在0.04BNTCO组分中,陶瓷表现出良好的铁电特性,剩余极化强度达到11.47μC/cm~2。为了清楚地理解极化增强的原因,构建了离子位移模型用来说明氧空位对晶体结构和离子位移的影响。由于Co2+离子浓度进一步的增加,离子取代造成氧空位浓度持续增大,氧空位在畴壁处汇聚导致畴的交换受阻,影响晶体的铁电性。3.（1-x）Ba Ti O3-x Ba Nb1/3Cr2/3O3-δ（xBTNCrO）和（1-x）Ba Ti O3-x Ba Nb0.5M0.5O3-δ（x BTNMO,M=Ni/Co）陶瓷的合成及其物理性质研究。采用多种表征方法分析过渡金属元素对BTO材料结构相变、晶粒尺寸、带隙窄化、室温铁电和铁磁性能的影响。根据XRD衍射数据,xBTNCrO和x BTNMO陶瓷具有单一晶体结构,不含其他杂相。随着掺杂浓度的增大,BTO陶瓷由正交结构转化为立方结构。引入具有较大离子半径的过渡金属元素造成晶格应力改变,导致晶胞体积逐渐变大。拉曼散射证实相变的存在,并且表明样品的局部晶格对称性降低,与理想的立方相Pm3m空间群存在差异。SEM图像表明x BTNMO陶瓷的晶粒尺寸随着浓度的增加而显著减小,其原因是掺杂离子位于晶界附近,影响晶界快速移动,导致晶粒生长速度减慢。通过光学吸收谱表明掺杂样品的光谱吸收范围扩大,带隙值减小。BTO母体材料的带隙宽度由O 2p轨道和Ti 3d轨道决定,大约3.1 e V。掺杂后0.2BTNCo O和0.15BTNCr O组分的带隙值分别下降到1.19 e V和2.1 e V。从能带结构的角度对带隙窄化进行解释:过渡金属元素Cr、Co具有3d轨道,3d轨道在晶体场的作用下分裂成不同能量高低的简并轨道,位于导带和价带之间,从而减小带隙宽度。P-E曲线表明,掺杂引起BTO的铁电性质改变。过渡金属离子的引入不利于xBTNCrO和x BTNMO陶瓷铁电极化性质的提高,并且曲线中存在开口是因为合成陶瓷过程中产生氧空位等缺陷,从而形成漏电流所导致。在xBTNNO样品中,出现“S”形曲线,说明铁磁长程有序的建立。根据磁学理论研究,陶瓷的磁性被归因于传导电子和自旋电子的交换作用。在长程交换过程中,传导电子诱导相邻的Ni2+离子产生相同的极化方向,从而磁矩同向排列,宏观表现出铁磁行为。4.过渡金属离子掺杂Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3陶瓷的制备以及对光电磁性质的研究。通过合成Cr3+离子掺杂的Ba0.85Ca0.15CrxZr（1-x）/10Ti9（1-x）/10O3-δ（x BCCZTO）陶瓷,对样品的结构相变、振动模式、表面形貌进行观测,根据数据分析晶体内部应力、晶面间距等参数。通过对掺杂浓度的精确控制,从而实现带隙窄化和铁电特性的调控。采用固相反应技术以低价的氧化物和碳酸盐作为初始原料制备x BCCZTO陶瓷。根据Williamson-Hall法计算出陶瓷的内部应力值,掺杂浓度的增加造成晶体内部张应力逐渐减小并且造成晶面间距逐渐增大,说明晶格出现畸变现象。通过EDX检测BCZTO陶瓷的元素含量,样品所含元素的比例与设计的值基本相同,而A位元素之和比B位元素之和略微小一些,揭示了晶体内部存在A位缺陷。掺杂后的陶瓷吸收范围明显扩大,尤其光谱波长在400 nm到800 nm之间的范围,带隙值从2.95 e V降低至1.2 e V。电滞回线表明,0.02BCCZTO组分的曲线形状最标准,铁电极化强度最大,说明适度的离子掺杂可以改善样品的铁电行为。铁电行为的优化是由于氧空位的出现造成A、B位离子发生移动,从而引起正、负电荷中心改变所导致。磁滞回线表明,0.06BCCZTO组分的曲线形状为“S”形,说明铁磁长程有序在晶体内部建立。