铋层状结构氧化物是一类由类萤石结构的(Bi202)2+和类钙钛矿结构的[Am-1BmO3m+1]2-(其中m为层数)单元沿c方向周期性排列的层状材料,由于其在室温以上同时具有铁电性和铁磁性,因而近年来备受关注。在铋层状结构氧化物中,Ti/Fe离子不均匀地占据类钙钛矿B位八面体中心,并与周围氧离子间形成强的相互作用；这种非中心对称结构以其离子间强的相互作用共同决定了它们特殊的铁电性和铁磁性,从而为人们研究和探索新型多铁材料提供了一条新的途径,并有望被应用到信息存储、传感器,甚至其它量子器件中。研究表明,铋层状结构氧化物的多铁性能与其周期长短有关。短周期的氧化物(如4层的Bi5FeTi3O1 5层的Bi6Fe2Ti3O18和6层的Bi7Fe3Ti3O21)在室温下一般表现出顺磁性,而长周期的氧化物(如7层的BigFe4Ti3O24和8层的Bi9Fe5Ti3O27)在室温下通常表现为反铁磁性,有时候甚至会出现弱的铁磁性。长周期氧化物这种独特的铁磁和反铁磁的共存现象以及可能存在的相互作用,将会使长周期氧化物在一定温度下呈现玻璃态,甚至可能引发交换偏置现象,成为一种新的交换偏置材料。本论文以进一步研究和探索铋层状结构氧化物的新颖多铁性能和机理为目标,主要进行以下研究,包括：1)Co/Y共掺杂Bi7Fe3Ti3O21材料的制备及性能关系研究;2)长周期Bi10Fe6Ti3O30氧化物的制备、结构和变温多铁性能关系研究,探讨可能的交换偏置现象；3)Co掺杂Bi10Fe6Ti3O30的结构性能研究及性能影响关系。论文主要结果如下：第一章：分别介绍了铁电材料和磁性材料,给出了磁性材料中各种磁性的分类；并介绍了同时具有铁电性能和磁学性能的多铁材料的特性及应用领域。本论文的工作以在室温下同时具有铁电性和铁磁性的单相奥里维里斯(Aurivillius)结构铋层状氧化物为关注焦点,分析了铋层状氧化物的结构特点和性能关系,确立了本论文的研究方向,即：优化掺杂Aurivillius结构材料的制备并探讨掺杂含量对其铁电和铁磁等多铁行为的改性研究；长周期铋层状氧化物的新型交换偏置效应及其与掺杂元素间的关系。第二章：采用改进的燃烧法制备奥里维里斯(Aurivillius)相铋层状氧化物。本工作改进了传统的以固相反应法制备铋层状氧化物的工艺,采用改进的燃烧法制备氧化物粉体,并进一步通过马弗炉烧结或者热压烧结得到陶瓷样品。由于Aurivillius相铋层状氧化物的结构比较复杂,稳定性较低,制备条件窗口较小,因此本工作选择了短周期的Bi7Ti3Fe3O21进行探索性制备；并进而探讨Co、Y共掺杂时钇的掺杂量的改变对材料的多铁性能的影响关系。实验结果证明,钴加入之后,会与铁通过周围的氧离子形成耦合,从而大幅增强了材料的铁磁性能。另外,具有4d空轨道且半径更小的钇的加入也同时提高了材料的铁电性能和铁磁性能。磁失重测试结果表明,在一定量的Y掺杂范围内,材料的多铁行为主要来自于本征性能。第三章：介绍了一种通常产生在两种磁性材料界面处的耦合相互作用,即交换偏置效应,并分析了交换偏置效应与材料体系组成和结构间的相互关系,提出了发展新型单相长周期交换偏置材料的新构想。交换偏置效应的发现对于自旋电子学的基础研究和应用发展起到了非常重要的作用。交换偏置现象通常出现在：1)同时包含有铁磁和反铁磁组分的体系中；2)目前也拓展到一些多铁的异质结体系。在这类多铁异质结体系中,由于存在磁电耦合效应,因此其交换偏置效应不仅可以通过磁场来调控,还可以通过电场来调控,因而具有更大的调控自由度；3)空穴掺杂型的锰氧化物和钴氧化物等,由于材料中存在着结构相分离和电子相分离现象,因此往往形成几种不同的相共存体系(包括铁磁和反铁磁相的共存),这种内在相分离产生的交换偏置效应为我们探索单相的交换偏置材料提供了可能性。由于影响交换偏置场的因素非常复杂,因此现有的理论模型均不能很清晰、全面的解释实验中观测到现象。第四章：发现了一种具有显著交换偏置效应的单相长周期铋层状氧化物多铁材料Bi10Fe6Ti3O30。在通过扫描透射电子显微镜的高角环形暗场相(STEM-HAADF)等实验手段直接观测到了这种长周期的氧化物中磁性铁离子的不均匀分布现象,证实了短周期磁有序性的存在,即团簇玻璃态和自旋倾斜反铁磁。研究结果表明反铁磁自旋和团簇玻璃态之间的相互作用受到温度的影响,并在合适的温度下会出现交换偏置现象。该样品的交换偏置场远高于相分离体系和多铁异质结体系的一些材料的交换偏置场。这种具有显著的交换偏置效应的新的单相层状多铁材料的发现,不仅有利于基础物理研究的发展,更是推动了交换偏置器件应用的步伐。第五章：通过改性手段,对单相长周期铋层状氧化物多铁材料Bi10Fe6Ti3O30进行B位钴掺杂的尝试制备以及多铁性和相关性能的研究。实验结果表明材料的磁性受掺杂Co的含量影响很大。当样品中只含有Fe元素时,样品随着温度的不同通常表现出顺磁性或反铁磁性。而随着Co含量的增加,样品体现出由顺磁向铁磁性能演变。这主要是由于在长周期结构的氧化物中,类钙钛矿单元中Fe和Co位置的选择更多,可能会出现不同的结合状态,因此比较容易捕捉到磁性的演变过程。对于这类材料,它们独特的非中心对称结构和氧八面体中心Ti、Fe、Co的不均匀分布,以及与周围氧离子之间的强烈的相互作用,是其奇特的铁电性能和铁磁性能的主要来源。第六章：全文内容的总结以及对未来工作的展望。