铁性薄膜由于其奇异的物理和化学性质而受到普遍关注,并成为材料科学领域的研究热点。近年来在交换偏置、磁电耦合、光电转换、固态制冷等领域的广泛应用使得铁性薄膜成为纳米技术和凝聚态物理的研究重点。这些应用集中在多铁纳机电系统、弱磁探测技术、铁电光伏太阳能电池、高效电卡、磁卡固态制冷。本文的工作主要是针对上述新问题、新行为开展的,着眼于纳米结构和相关器件的基础研究。主要包括以下几个题目:1.团簇组装磁性纳米薄膜的磁畴结构、磁致伸缩与交换偏置效应低能团簇束流淀积方法制备磁性SmCo合金薄膜,通过真空原位退火调控团簇颗粒尺度决定的磁畴结构。团簇颗粒尺度变大使得超顺磁结构转换成磁单畴,SmCo团簇薄膜表现出磁致伸缩效应的增强,从而具有更高的饱和磁致伸缩系数和低磁场下强线性的磁致伸缩效应。核壳结构Co/Co O磁性纳米薄膜中铁磁/反铁磁（FM/AFM）的界面钉扎导致了交换偏置效应,且随着温度的降低而更加明显。单相FeMn合金薄膜中观察到了很强交换偏置效应,低温下反铁磁性团簇部分发生相变转换为自旋玻璃（spin glass）态,构成spin glass型交换偏置且spin glass态与反铁磁序之间的竞争随着温度降低而加剧,交换偏置效应更加明显。同时研究了锤炼（training effect）效应。2.赝1-3多铁异质结构薄膜磁电耦合效应的团簇组装与调控Bi₅Ti₃FeO₁₅/FeGa/Bi₅Ti₃FeO₁₅赝1-3多铁异质结构薄膜在室温下有巨磁电耦合效应。一方面是硬质衬底上Bi₅Ti₃FeO₁₅缓冲层极大的释放了衬底的“夹持”效应。另一方面是团簇组装的FeGa圆盘与Bi₅Ti₃FeO₁₅压电基质形成了多界面,这非常有利于界面应力的传递。此外,压电基质包裹覆盖磁致伸缩FeGa圆盘形成的赝1-3异质结构薄膜包含单相多铁Bi₅Ti₃FeO₁₅的磁电耦合效应和异质结构薄膜中磁致伸缩-界面应力-压电效应所引起的磁电耦合效应。团簇组装的Ni-NiO核壳结构具有室温交换偏置效应,磁交换偏置导致了磁致伸缩的偏置,从而在Bi₅Ti₃FeO₁₅/Ni-NiO/Bi₅Ti₃FeO₁₅赝1-3多铁异质结构薄膜中诱导出室温的磁电偏置效应,并建立了磁畴演化与磁电偏置的关系。3.Bi₅Ti₃FeO₁₅薄膜铁电光伏效应与调控光照下铁电薄膜产生电子-空穴对,在去极化电场和内建电场共同作用下向电极两侧定向移动并积累形成开路电压和短路电流。铁电薄膜长时间工作会产生铁电疲劳,进而导致铁电光伏效应减弱。稀土Ho元素掺杂可以调控Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜的带隙,抗疲劳能力提升。更重要的是铁电光伏效应也随之提升,体现在开路电压V_OC和短路电流J_SC都随着Ho掺杂明显增大。但是Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜作为太阳能电池其V_OC和J_SC的数值都远小于理论值。铁电薄膜的电介质本性使得内电阻很大,抑制了V_OC和J_SC的数值。调控内阻来调控铁电光伏效应,引入低带隙宽度的Ag₂O纳米颗粒分散到Bi₅Ti₃FeO₁₅薄膜。去极化场驱动光生电子-空穴对分离的过程中施加外磁场会发生Jahn-Teller distortion,Fe元素价态震荡形成的跃迁电子在次带中通过e_g2-O_2p-e_g0相互作用会部分被Ag₂O界面捕获形成导电界面。内阻变小从而V_OC和J_SC都大幅度提升,撤去磁场时导电界面消失内阻变大,V_OC和J_SC都减小。4.基于电卡效应和磁卡效应的固态制冷技术固态卡效应致冷技术及相关器件可以在铁电有序和自旋有序的纳米薄膜中实现局部制冷,从而满足微纳电子系统的要求。在相变点附近有巨大的熵变,对应着最大绝热温变。Bi₅Ti₃FeO₁₅/BiFeO₃异质结构薄膜在Curie温度以下一定范围内铁电极化会随着温度上升而上升。这种现象定义为负电卡效应,可以实现加电场制冷。而在双钙钛矿氧化物薄膜La₂Co MnO₆中自旋有序随着温度降低增加,是一种正磁卡效应,可以实现去磁场制冷。在相变点附近自旋有序发生突变,对应着最大的磁熵变和最大绝热温变。