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多铁性材料铁酸铋(BiFeO3)以其远高于室温的铁电、铁磁转变温度和巨大的铁电极化和磁电耦合效应而成为多铁领域最具应用潜力的材料,同时可实现电场对其晶格、电荷、电子轨道和自旋自由度的调控,是凝聚态物理和器件应用领域的热点研究内容。在功能性异质结薄膜中,异质结界面在很大程度上制约着薄膜的性能,尤其是界面晶格缺陷、外延关系和元素扩散等会影响薄膜的铁电性能。本论文应用先进的透射电镜技术研究了不同衬底温度对BiFeO3/SrRuO3/SrTiO3异质结薄膜形貌、界面结构和BiFeO3成分的影响；在此基础上采用球差校正扫描透射电镜(HAADF-STEM)技术从原子尺度直接观察了BiFeO3/LaAlO3异质结界面处的层错、析出相等晶格缺陷并研究其对薄膜结构的影响机制；最后通过HAADF-STEM结合电子能量损失谱( EELS)对BaTiO3/SrRuO3/SrTiO3异质结界面元素扩散和氧空位进行研究,揭示其对铁电性能的影响机理。具体研究结果如下1.不同衬底温度对BiFeO3薄膜形貌、微结构和成分的影响以SrTiO3(001)为衬底,用脉冲激光沉积法(PLD)分别在500、600和700℃生长温度下制备了BiFeO3/SrRuO3/SrTiO3异质结薄膜。利用原子力显微镜和透射电子显微镜观测到500℃生长的BiFeO3薄膜表面析出了大量的岛状副产物,而600和700℃生长的BiFeO3薄膜表面比较平整,没有岛状副产物产生。通过高分辨电镜观察和能谱(EDS)元素分析,发现500℃生长的薄膜中副产物为Bi2O3晶体。三种衬底温度下生长的薄膜的异质结界面情况比较相近,BiFeO3/SrRuO3界面结构外延过渡完好,不存在界面失配和缺陷。而SrRuO3/SrTiO3界面的键合作用比较弱,中间几个原子层形成了类似非晶的结构,该现象在600和700℃生长的薄膜中尤为明显。通过EDS分析发现三种薄膜的Bi和Fe元素含量之比分别约为0.80、0.91和0.87。600和700℃生长的BiFeO3薄膜中Bi元素含量相对较少,可能与Bi元素高温下的挥发有关；而500℃生长的BFO薄膜中Bi元素含量最低,可能与析出了Bi2O3副产物有关。该部分研究为BiFeO3薄膜的生长温度选择提供了良好的研究基础和理论依据。2. LaAlO3衬底上混合相BiFeO3薄膜中的层错和析出相晶格缺陷研究用PLD在LaAlO3 (001)衬底上制备了四方(T)和菱方(R)混合相BiFeO3薄膜,该材料表现出优异的电控磁性能。利用球差矫正HAADF-STEM成像方法在界面附近观察到层错缺陷和Bi2FeO6-x、β-Bi2O3析出相,发现这三种析出相在结构上存在一定关系,表现为随着Bi元素含量的增加,这三种相可以依次演化oBiFeO3块体材料空间群为R3c,晶格常数约为3.96A。BiFeO3与LaAl03 (001)衬底的晶格失配约为-4.3%,导致其面外晶格常数呈现出拉长现象。由于薄膜样品在生长过程中使用Bi元素过量的靶材,在界面附近存在Bi元素富集的现象,Bi有可能取代Fe离子,形成ABAABA型堆垛层错;当Bi元素含量增加时,层错密度增加,形成Bi2Fe06-x析出相,其原子堆垛方式为AABAAB; Bi元素浓度继续增加时,Bi2FeO6-x中Fe离子可被Bi进一步取代,形成局域阳离子全为Bi离子的β-Bi2O3结构。另外还发现Bi2FeO6-x、β-Bi2O3析出相与BiFe03晶格过渡的界面存在位错。这些析出相和位错缺陷起到了释放晶格失配应力的作用。该研究从原子尺度揭示了BiFe03薄膜中T相和R相共存的微观机制。3. BaTiO3/SrRuO3/SrTiO3异质结薄膜中的元素扩散采用PLD在SrTiO3(001)单晶衬底上制备了BaTiO3/SrRuO3/SrTiO3异质结薄膜。利用球差矫正HAADF-STEM成像技术研究异质结界面的原子结构。发现BaTiO3 和 SrTiO3的晶格原子具有均匀的衬度,而SrRuO3的衬度有强有弱,有些Sr原子柱的强度甚至达到了Ba的水平。通过EELS线扫描分析发现有Ba和Ti元素扩散进入超薄SrRuO3电极层,同时还发现大量的氧空位。EELS近边精细结构分析发现Ti元素由+4价变成了+3价,进一步确认氧空位的存在。元素扩散和氧空位的存在使SrRuO3电阻增大,增加了对BaTiO3极化场的屏蔽长度,使得BaTiO3铁电势垒层的临界厚度增加。