铁电金属,也称为极性金属,由Anderson和Blount于1965年提出,两个据称是禁忌的特性-铁电性和导电性可以共存。直到2013年,中科院石友国课题组从实验上证明了Li Os O3单晶是铁电金属材料。金属性与铁电结构共存会产生许多独特的物理性质,例如非中心对称超导电性、非线性光学响应、磁电效应和高各向异性热功率响应等性能。近年来,虽然人们对铁电金属中铁电性和金属性共存机制研究取得了一系列的进展,但关于铁电金属的起源依旧存在争议,而且对铁电金属的相关应用研究极其稀少。本文采用第一性原理电子结构计算方法,通过对Ba Ti O3（BTO）基铁电金属的几种实现途径进行系统性的研究,即载流子掺杂、元素掺杂和构建极性铁电超晶格。探究了铁电基铁电金属中铁电性和金属性共存机理及其应变效应调控,并对铁电金属在磁电以及热电领域的应用开展了研究分析。本文的研究为铁电基铁电金属的掺杂和应变工程提供了理论基础,获得的主要创新成果如下:（1）合适的载流子和原子掺杂可以使铁电体成为铁电金属。以典型的无铅钙钛矿铁电体BTO作为研究对象,通过载流子静电掺杂和元素掺杂BTO,探究铁电金属中铁电性和金属性的共存机理。研究表明低电子浓度时,电子优先占据dxy轨道,极化强度基本不变。但极化翻转能垒却降低,这是由于电子掺杂后Ti 3d与O 2p轨道之间为反键态。当电子掺杂浓度进一步增大时,逐渐增多的dxz/dyz轨道电子对极化的屏蔽作用越来越显著。当电子浓度超过电子临界浓度nc=0.254 e/u.c.,铁电性消失。空穴掺杂浓度低时,空穴优先占据px/py轨道,由于空穴掺杂后Ti 3d与O 2p轨道之间为成键态,铁电性有微弱增大。与电子一样,逐渐增多pz轨道空穴对极化屏蔽作用增强,其临界空穴浓度|pc|=0.443 h/u.c.。对于真实的原子M（M=Al、Cr、Fe、Ni、V和Nb）掺杂BTO,可以发现Al和Nb掺杂的BTO体系中铁电性和金属性的可以共存。此外,Nb掺杂的BTO体系还能实现铁电和铁磁共存。而其它几种掺杂体系电子被局域在掺杂原子附近导致电子不能巡游。这为铁电基铁电金属铁电性能的掺杂调控具有重要的指导意义。（2）面内双轴压缩应变可以有效地增强铁电金属中逆磁电效应。由于Nb掺杂BTO铁电金属具有铁电、铁磁和金属性。因此以传统磁性原子Fe掺杂的BTO（FBTO）体系和非磁性原子Nb掺杂BTO（NBTO）铁电金属为研究对象,其中FBTO体系作为参考对比,揭示NBTO极性金属中逆磁电（CME）效应的起源及其应变工程调控。与FBTO体系内大磁矩基本上由掺杂Fe原子的高轨eg轨道贡献不同,NBTO体系的小磁矩主要由Ti和Nb掺杂原子的低轨t2g轨道贡献,并且高度取决于极化强度。FBTO体系虽然有着强铁电性和铁磁性,但极化翻转过程中磁矩变化非常小（（35）M=0.031?B）。NBTO体系铁电性和铁磁性较弱,极化翻转磁矩变化也非常小（（35）M=-0.024?B）。但施加面内双轴压缩应变,铁电性增强而铁磁性却减弱。当面内压缩应变为η?-2%时,由于电子主要占据dxy轨道并趋于二维（2D）,因此NBTO体系的磁矩为零。然而,极化的翻转过程中引起了强烈的逆磁电效应,并且磁矩发生显著变化。尤其当压缩应变η=-4%的NBTO体系的磁矩变化为（35）M=0.85?B,是无应变NBTO体系的数十倍,显示出电场调节磁场的非凡能力。强电控磁性表明铁电金属可应用于新型超快和低功耗存储器件中。（3）合理的界面结构可使超晶格成为铁电金属并可通过应变进行调控。构建不同界面结构的KNb O3（KNO）/BTO超晶格,研究不同界面结构的KNO/BTO超晶格的铁电性和金属性,分析KNO/BTO超晶格属于铁电金属的可能性。随后通过面内双轴应变,并和块体值进行比较,以探索载流子屏蔽和共价键协同作用对铁电性能的影响。研究表明由于BTO和KNO之间导带底（价带顶）之差非常小,对称性NN型和PP型KNO/BTO超晶格可以成为铁电金属,即铁电性和金属性可以共存在每个晶胞中,其分别呈现n型和p型电导。在NN型超晶格中压缩应变使铁电性能越来越接近同一应变下的块体值,而拉伸应变则使铁电性能越来越远离同一应变下的块体值。压缩应变η=-3%时dxz/dyz轨道电子为零,电子对屏蔽作用消失,由于电子掺杂减弱Ti-O共价键特征,铁电性依旧减小。PP型超晶格在压缩应变下,pz轨道空穴为零,由于空穴掺杂增强共价键,铁电性增大。对于PP型超晶格,当拉伸应变η=1%,pz轨道空穴对极化有着较强的屏蔽作用,但由于空穴掺杂使共价键作用增强,因此可以发现极化性能依然得到增强。这表明在钙钛矿超晶格中构建合理的界面结构可以成为铁电金属,而随后的应变效应阐明了极化性能受载流子屏蔽和共价键共同作用影响。（4）合理的载流子掺杂和应变能提高铁电金属的热电性能及其各向异性。由于应变可以调控铁电金属中轨道载流子占据,因此以BTO、载流子掺杂的BTO以及KNO/BTO超晶格为研究对象,对其热电性能及其各向异性进行研究。由于晶格非对称性及非中心对称性结构,在BTO中,存在较强的电导和热导面内各向异性。压缩应变增强极化性能导致电导各向异性增大。而施加拉伸应变减弱极化性能而使电导各向异性减小。此外,BTO由于非绝缘性,故拥有非常大的面内和面外塞贝克系数,却没有太强的热功率各向异性。对于载流子掺杂的BTO,低浓度掺杂时,载流子屏蔽作用小,极化性能基本不变,电导各向异性增大,而且空穴掺杂使电导各向异性增大的更多。当载流子掺杂浓度使铁电性消失时,热电性能趋于各向同性。对于KNO/BTO超晶格,由于电子在BTO区域和KNO区域中不均匀分布,无应变的KNO/BTO超晶格比电子掺杂BTO有着更强的电导各向异性。当压缩应变η=-3%,dxz/dyz轨道电子为零,自由电子完全限制在面内运动,电导和电子热导各向异性分别高达6.8×105和4.7×105,这意味着在面内方向具有巨大的各向异性电特性。此外,压缩应变的KNO/BTO超晶格的还具有非常强的热功率各向异性。这表明铁电金属在基于热电各向异性的器件上有着广阔的应用前景。