铁电材料在居里温度以下存在自发电极化,而且该电极化可以与多种外场相互耦合,使得这类材料在非易失性存储器、制动器、微电子机械系统等功能器件领域具有巨大的应用前景。随着这类功能器件小型化和节能化的发展需求日益增强,以低维形式应用的铁电薄膜呈现出极大的优势,而薄膜内部的畴结构及其在外加电场演化行为对其使用性能具有决定性作用。本论文以经典四方铁电体PbTiO3为研究体系,利用脉冲激光沉积技术设计生长了多种薄膜体系,主要利用像差校正透射电子显微镜并结合压电力显微镜和高分辨X射线衍射从多尺度解析了薄膜的微观结构,深入研究了其中的畴结构在外加电场作用下的演化过程并分析了其对相关电学性能的影响。相关研究结果表明高指数[111]取向的铁电体薄膜具有迥异于[001]取向铁电体薄膜的性能特征,如较低的矫顽场、较高的介电性以及不受衬底钳制的压电响应等,然而由于高指数铁电薄膜的复杂性,对其中畴结构及其调控方法还缺乏深入的认识。为此,我们在正交结构的GdScO3（101）o衬底上外延生长了系列不同厚度的[111]取向PbTiO3薄膜,并研究了其中的畴结构演化特征和结构细节。我们发现,在衬底施加的非对称应变作用下,块体PbTiO3中三种铁弹变量在我们制备的薄膜中只存在其中两种（d2和d3）,这两种铁弹变量在薄膜内部会形成d2/dg和d2-/d3+两种畴结构。随着薄膜厚度的增加,表面电荷效应会减弱,PbTiO3薄膜内部畴结构会由d2+/d3+和d2-/d3+混合畴组态转变为d2+/d3+单一畴组态,而且d2+/d3+畴结构的周期与薄膜厚度的平方根成正比,满足KMF定律。我们进一步研究了两种畴结构的极化分布特征和原子尺度上的结构细节,发现两种畴组态的极化和晶格应变分布特征均符合90°铁弹畴,而且晶格转角和应变的分布与c轴的投影分量直接相关。这些研究结果丰富了人们对铁电薄膜中畴结构及其调控手段的认识,并为基于铁电畴结构的纳米器件的设计提供了指导。畴结构对铁电材料的物理性能有重要影响,认识其在外电场作用下的演化是理解相关性能来源的关键所在,如畴结构在外电场下翻转被认为是准同型相界处（MPB）压电响应增强的原因之一,另外两种可能的贡献据认为是单斜相的本征晶格响应和外场导致的结构转变,表明在压电性贡献来源方面一直存在争议。为此我们设计制备了[111]和[001]取向的PbTiO3薄膜体系,后者作为对比。研究发现[001]取向的PbTiO3薄膜为四方结构,畴结构为单c畴结构,而[111]取向的PbTiO3薄膜为类MPB的单斜相结构,而且形成了畴壁面为{201}的单斜畴结构。然后,通过研究两种薄膜在外电场作用下的响应过程,发现[001]取向的PbTiO3薄膜只会经历铁电畴的翻转,而[111]取向的PbTiO3会依次发生铁电畴翻转和外场导致单斜到四方的可逆结构相变。最后我们结合压电响应过程分析,表明相对于单斜相本征晶格响应和畴结构的翻转,外加电场导致的结构转变对压电响应的贡献最大。该研究不仅揭示了单斜相畴结构的特征,还澄清了压电性贡献的来源,为高性能压电体的设计提供了思路。大量研究结果表明不仅仅铁电薄膜的畴结构会影响其性能,薄膜内部的微观结构也很重要,尤其是其引起的非均匀应变分布,如薄膜内部局域的非均匀应变可能会通过挠曲电效应影响薄膜内部极化的分布和畴组态进而影响铁电保持性,但相关实验证据还很不充分。为了直接研究铁电保持性和挠曲电效应的关系,我们设计生长了常规PbTiO3薄膜和应变梯度PbTiO3薄膜,利用像差校正透射电子显微镜结合压电力显微镜和X射线倒空间图谱对两种薄膜的畴结构演化过程和薄膜内部应变分布进行了深入分析,发现薄膜内部应变梯度的存在会导致铁电薄膜发生保持失效。原子尺度的晶格和成分分析表明Pb原子部分取代了PbTiO3中Ti的位置而形成了富集铅元素的反相畴结构,该结构对PbTiO3施加面外方向的拉应变从而在薄膜内部引入面外方向的应变梯度,该应变梯度通过挠曲电效应形成与翻转极化相反的挠曲电场,最终使PbTiO3薄膜发生保持失效。该结果从原子尺度上澄清了挠曲电导致铁电保持失效的原因,有助于进一步理解并提高氧化物铁电体的保持性及其在存储应用领域的可靠性。