纳米结构往往具有特殊的光、电、热、磁、信息储存与传输、能量储存与释放等功能。由于锆钛酸铅(简称PZT)具有高机械耦合系数、热释电性能好和较高的居里温度等优点,使得它成为迄今为止研究和使用最多的铁电压电材料之一,其优异的性能被广泛地应用到内存、换能器、滤波器、超声马达和传感器等领域。本论文以纳米结构的PZT材料为研究对象,主要研究其在光学领域内的材料性能、结构特性、器件设计和测量。基于密度泛函理论的第一性原理,以构建有序结构模型的方法,以五种有序结构模型为代表,对四方相结构PbZrxTi1-xO3(x=0.125,0.25,0.5,0.75,0.875)的能带结构、介电性能和光电性能进行了详细的计算分析。计算结果表明,随着x值的增加,四方相钙钛矿结构的PZT材料的能带宽度整体呈现逐渐增大的趋势。并以PbZr0.5Ti0.5O3为对象,分别对其三方相和四方相的结构进行理论计算。计算结果表明,该组分下,锆钛酸铅材料的三方相结构比四方相结构的能带宽度更宽,在结构上也更为稳定。而四方相结构的PbZr0.5Ti0.5O3材料较三方相结构PbZr0.5Ti0.5O3材料而言,在紫外光波段有着更高的吸收特性。该计算方法对于研究有序结构模型提供了丰富的物理信息,有助于后期研究宏观物理特性。利用自制通孔氧化铝模板,采用匀胶加静置的方式,将PZT溶胶引入通孔AAO模板孔洞中,制备的PZT溶胶在毛细管力与漩涡力驱动下进入氧化铝通道内,随后经高温烧结过程形成钙钛矿结构PZT纳米管,从而成功制备了PZT有序纳米管状阵列结构。通过SEM表征可见,该PZT纳米管阵列孔径大小均一,排列均匀整齐。PZT纳米管内径约为50 nm,外径约为75 nm,长度约为16μm。傅立叶变换红外光谱(FTIR)结果显示在1200~1900 cm-1波段,PZT/AAO纳米管结构存在明显的吸收峰,分别位于1471.56 cm-1和1556.09 cm-1,该结构的吸收强度大约是单纯多孔氧化铝的六倍以上。基于Maxwell-Garnett有效介质理论,该双介质纳米管结构吸收强度的增强主要源于PZT介电损耗特性,而吸收峰位取决于氧化铝本征吸收。又从实验上比对钛酸锶钡/AAO纳米管结构的红外光谱,该设想得到了有效的验证。采用传统的两步阳极氧化工艺,获得一定范围内尺寸可调的多孔AAO模板,并利用该模板采用射频磁控溅射工艺,制备纳米PZT/AAO复合结构。该复合结构,随着PZT体积分数的增加,在紫外波段吸收强度增加,吸收峰展宽,并存在吸收峰红移的现象。理论分析可知,PZT/AAO纳米复合体系的吸收峰位置是随着PZT颗粒在总体积中占有率的增加而红移,遵循有效介质理论;而实验中观察到PZT/AAO纳米复合结构随粒子平均尺寸增大而表现出来的吸收带宽展宽现象,其本质上是PZT颗粒体积分数增加及其诱发的粒子尺寸分布不均匀对光学吸收特性的影响,并不影响Maxwell-Garnett有效介质理论的正确性。并且,基于锆钛酸铅材料为介电层,设计了Au/PZT/Au复合层状结构,实现了多频带的太赫兹吸收,而且通过设计顶层的金属结构的尺寸,可调节吸收频率,对太赫兹波段吸收器的探讨提供了参考。这对研究PZT复合结构的光学性能以及进一步应用开发具有重要意义。通过时域有限差分法分析、设计了PZT光栅结构的吸收器,优化了结构参数,当周期为200 nm,占空比为50%,高度为200 nm时,器件在220 nm至500 nm波长范围的吸收率皆高于80%,同时也分析了周期为400 nm及以上的PZT光栅结构吸收器的吸收特性,随后探讨并设计了PZT纳米光栅的制备工艺。而且,为了跟上纳米科技研究发展的脚步,本论文还采用光谱椭偏仪和自主建立的拟合模型测量纳米结构光栅尺寸,测量过程中实现了对测试样品的无损检测,并与SEM表征相互验证,在入射角60o、方位角75o测量条件下,对纳米结构的关键尺寸、侧壁角等三维形貌参数的测量精度最高可达99.97%,该技术积极推进了光栅结构器件无损检测技术的发展,为光电器件的无损检测提供了有效途径。