多铁材料是同时包括铁电、磁性以及铁弹性质等两种或者两种以上序参量的新型多功能材料,这类材料可以实现外场条件下物理性质的交叉控制。近年来,铁电与磁性共存的多铁材料尤其受到研究人员的重点关注,不仅是因为多铁材料在信息存储、低功耗器件、快速读写器件等领域有着广泛的应用前景,而且多铁材料中多种序之间的相互竞争也一直是基础物理的研究热点。长期以来,由于铁电性和磁性对d-轨道电子组态的“不兼容性”,实验进展相对缓慢。只是到了最近,理论和实验研究获得了重大突破。新的多铁理论机制,诸如BiFeO3中铁电性的孤对电子模型,EuTiO3等薄膜中铁电性的外加应变诱导机制,磁致铁电材料TbMnO3中铁电铁磁的共存等都很好地推动了该研究领域的发展。目前,尽管多铁领域的研究进展很快,但是很多重要问题仍待解决。例如：(1)虽然bMn03多铁材料中磁电耦合很强,磁性诱导的电极化较小；(2)BiFeO3多铁材料中,电极化来自Bi离子的孤对电子,磁性来自Fe离子磁矩,两者虽然比较大,但是磁电耦合很弱；(3)目前发现的大多数铁电-磁性多铁材料,磁性大都为反铁磁性,不利于外磁场对材料物理性质的交叉调控；(4)磁有序和铁电相变温度较低,限制了其作为器件材料的应用价值和范围。随着微纳加工技术的迅速发展,采用分子束外延技术和激光脉冲沉积等技术从原子尺度逐层控制原子生长成为制备人工合成多功能材料的成熟方法之通过界面工程,将性质互补的不同原子有机地合成性能优化的超晶格材料已经成为探索新型多铁材料的一个重要方向。为此,本论文重点研究如何通过适当的原子组分以达到优化钙钛矿氧化物超晶格材料的多铁性质。具体研究了如何通过界面应力增强SrTiO3/SrCoO3超晶格中的铁磁和磁电耦合强度；如何通过Kanamori-Goodenough磁性机制增强SrMnO3/SrCoO3超晶格材料中的直接铁磁-铁电耦合强度；同时我们对铁电机制的研究表明,d0电子组态并非是铁电发生的必要条件,而强的离子键结合才是铁电序产生的原因,并且提出了具体的结构判据。具体研究内容如下：(1)：考虑到Ti和Co基钙钛矿氧化物超晶格可以有效地增强离子间的电荷序和铁磁超交换耦合,我们用第一性原理的方法详细研究了SrTiO3/SrCoO3超晶格随应变变化的物理相图。试探结构来自于晶格动力学方法得出的虚频声子模式,涉及的磁结构包括铁磁和G-反铁磁。丰富的物理相图除了有强劲的铁电-铁磁Pc多铁相外,还包括half-metal目、金属-绝缘体相变等新颖现象。仔细的分析发现：SrTiO3层是超晶格铁电的主要来源,而界面间Ti-Co的铁磁超交换耦合是增强SrCoO3层铁磁性的重要原因。近邻Co离子的yz/zx轨道序Peierls晶格畸变通过界面有效地耦合铁电-铁磁序参量,导致很大的界面应变诱导的磁电耦合系数。(2)：为了将界面应变诱导的磁电耦合转化为直接的磁电耦合机制,我们进一步计算了SrMnO3/SrCoO3超晶格材料的电磁结构物理相图。考虑到Kanamori-Goodenough磁性离子间磁耦合的判据,涉及的磁结构包括铁磁、G-反铁磁、C-反铁磁、A-反铁磁以及复杂磁结构,界面间Co-Mn离子间强劲的铁磁耦合有效地将体系的铁磁居里转变温度提升到室温以上,同时将超晶格材料的多铁相所需应变从SrMnO3薄膜材料的+3.40%减少到+1.80%。尤为重要的是超晶格的铁电-铁磁同时来自SrMnO3和PSrCoO3层,近令Co, Mn离子层中yz/zx轨道序和Peierls晶格畸变将整个超晶格组成一个有机三维多铁材料,具有直接的磁电耦合机制。(3)：虽然传统的经验告诉人们铁电失稳似乎需要空壳层的d-轨道结构,维正负离子链的Peierls结构失稳则预示着Madelung吸引势在结构失稳中的重要性。因而铁电失稳应该与结构中的离子键结合而不是与d0壳层结构有关。我们发现铁电相变主要取决于共价键和离子键的相对强度,而增大近邻离子间距可以有效地增强离子键相对于共价键的强度,促使铁电相变的产生。第一性原理对离子晶体NaCl结构在面内压缩、面内拉伸、三维体膨胀情况的结构相变研究表明,当任何一个尺度横跨过Madelung吸引势的失稳点,NaCl晶体均会在相应的方向出现铁电相变,证实了唯象模型的物理图像。在此基础上,我们采用大离子半径的Ba离子替代Sr以增加晶格常数至Madelung势能的失稳点,研究了BaFeO3/BaMnO3超晶格的多铁性,证实了上述唯象物理图像的可行性。