铋作为一种重要的半金属元素,因其具有很多特殊的物理性能而成为材料学和物理学领域重点研究的模型材料。本文针对铋单质结构的特殊性,采用理论与实验相结合的手段,提出了铋单质的共生多形体结构特征,并对其形成机理和对铋单质物理性能的影响规律进行了系统研究。应用粒子群算法和第一性原理计算的方法,预测出了三种铋单质的共生结构,分别命名为CM-Bi,T1-Bi和T2-Bi。这些结构的热力学稳定性非常接近稳态的A7结构,且其在常压下也具有动力学稳定性,表明这些结构存在与A7结构共生的可能性。采用高纯铋单质原料(99.999%),通过高温高压(HTHP)的技术手段,在多个实验条件下获得了具有明显共生多形体特征的铋单质样品,将获得的样品结构分析数据与预测结构相比较,发现在原料和高温高压处理的样品中均含有不同程度的铋共生结构。对比不同压力和温度处理的样品结构特征,发现当铋单质经历可逆相变(固固相变或固液相变)后,容易形成更丰富的共生结构关系。采用差示扫描量热法(DSC)和原位透射电子显微镜(TEM)技术对2GPa下高温处理的铋单质共生多形体的熔化行为进行了研究。结果表明:与普通的铋单质相比,高温处理的铋单质共生多形体的DSC曲线中出现一个附加吸热峰,由此提出了铋单质共生多形体在熔化前存在结构弛豫过程。采用高能同步辐射X射线,对2GPa以及4GPa压力下铋单质高温液相结构进行了原位研究。研究结果表明:在2GPa条件下铋单质在775-975℃的温度范围内发生一个明显的液液(L-L’)相变,同时在降温过程中L’的结构将被保留,从而遗传到低温状态中。通过所获得的径向分布函数g(r)曲线,分别构建出了L与L’相的液态结构;与L相的类层状结构相比,L’相体现为混乱程度更高的链式结构特征。这种链式结构和其遗传效应可能是形成铋单质共生多形体的原因。对不同压力和温度条件淬火后获得的铋单质共生多形体进行磁性测量,发现,当压力处于~1.5-3GPa,温度高于1000℃时获得的铋单质共生多形体具有明显的铁磁性。其铁磁性的大小与压力和淬火温度之间存在密切的联系。对2GPa超高温(大于2300℃)样品进行电输运性质研究发现,与原料和较低温度处理的样品比较,超高温处理的样品在低温下体现出更大的磁电阻效应(约为真空重熔样品的10倍)和更小的Hall效应。通过对不同样品的载流子进行定量分析后,发现在超高温处理的样品中,其主要空穴载流子(h1)的迁移率与普通铋单质以及低温处理样品相比有了明显的提高;同时,高温处理的铋共生多形体中还存在着独有的次要空穴载流子(h2),这两种载流子的变化是导致其电输运性质发生改变的主要原因。通过对CM、T1和T2结构能带的第一性原理计算发现,共生结构模型能够很好地解释这种载流子特性的变化规律。