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铋层状铁电材料具有低介电常数、较高居里温度、温度稳定性好以及良好的抗疲劳性能等优点，在高温压电以及非挥发性铁电存储等领域具有广阔的应用前景，但也存在剩余极化小，矫顽场强大，压电活性低等缺点。因此本论文旨在通过掺杂改性的方法，优化铋层状铁电材料的性能，揭示其结构与性能的内在联系，为设计和应用相关铁电材料提供科学依据。本文以铋层状铁电体SrBi2Nb2O9为研究对象，利用X射线衍射、透射电镜、拉曼光谱、同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS)以及Rietveld结构精修等分析技术和方法，系统研究了稀土元素对Bi2O2层中Bi位掺杂取代以及类钙钛矿层中A位和B位的取代改性对其结构和性能的影响，探讨了其影响机理。主要研究内容及结果如下：
⑴研究了不含孤对电子的稀土元素离子在Bi2O2层中Bi位取代对SrBi2Nb2O9结构和性能的影响。结果表明，Nd3+(或Sm3+)可以进入Bi2O2层中的Bi位，并且诱导SrBi2Nb2O9由一个普通铁电体向弛豫铁电体转变。Rietveld结构精修和同步辐射XAFS实验研究表明Nd3+(或Sm3+)取代了Bi2O2层中的Bi3+，从微观结构上证实这种弛豫行为是Bi2O2层中的Bi3+和Nd3+(或Sm3+)的无序引起。研究还发现，SrBi1.6Nd0.4Nb2O9是一种典型弛豫铁电体材料，利用V(o)gel-Fulcher公式拟合表明其弛豫行为与自旋玻璃态的特征相类似。而在透射电镜衍射图谱中，1/2{h00}和1/2{hk0}超晶格衍射斑点的出现，揭示了铋层状弛豫铁电体SrBi1.6Nd0.4Nb2O9中有序极性微区的存在。
⑵利用拉曼光谱技术，研究发现Nd3+对Bi3+的取代，导致SrBi2Nb2O9的NbO6八面体畸变程度逐渐减小；通过Rietveld晶体结构分析，计算得到了NbO6八面体的畸变角，该畸变角在Nd3+对Bi3+的适量取代后，明显变小，从而更加有力地证实NbO6八面体畸变程度减小的观点。这也是居里温度下降、剩余极化和矫顽场减小的内在原因。
⑶研究表明，Nd3+对Sr2+的取代，Sr1-3x/2□x/2NdxBi2Nb2O9居里温度基本不变，压电系数d33却有所增加。Ta5+对Nb5+的取代，导致材料谐振频率温度稳定性(TCF)下降，部分稀土元素离子Nd3+(Sm3+)取代Bi3+，则提高材料的TCF，所以SrBi2-xRexNb2O9(Re=Nd和Sm)是一种很有前途的滤波器和振荡器的候选材料。