层状类钙钛矿氧化物是指包含简单钙钛矿氧化物为主要组成单元的一类氧化物材料,因其独特而丰富的晶体结构与电子结构,产生了一系列有趣的物理性质,如:多铁性,巨磁阻,高温超导,光催化活性等。随着电子器件进入后摩尔时代,人们在追求缩小尺寸的同时,更加关注寻找新型的材料体系,以满足越来越高的性能需求。伴随着对电子自旋研究的逐步深入,人们发现,电子自旋传输相比于电荷传输,有着磁相互作用距离更短、能量更低的优势,可以有效避免尺寸效应带来的诸多限制。令人振奋的是,近几年通过对铁磁绝缘体和其他材料复合而成的自旋量子器件的研究,可以通过自旋波代替电荷作为传输手段,以实现能量以及信息传递过程中的低损耗甚至无损耗,这将使它可以在未来包含电子信息、能源传输在内的多个领域得到应用。但是目前的类钙钛矿铁磁绝缘体有着居里温度低(低于室温)、绝缘性与铁磁性兼容性差等缺点,严重限制了这类材料的应用。Sillen-Aurivillius氧化物是一种独特的层状类钙钛矿氧化物材料,它的结构主要由简单钙钛矿氧化物和Sillen层堆叠形成。因其特殊的Sillen层结构,Sillen-Aurivillius氧化物不但具有其他层状类钙钛矿氧化物的结构丰富、多种量子序参量之间可以相互耦合等特性,并且有着更好绝缘性能和铁磁性能,使其有望成为未来传输量子自旋的优秀载体,并实现更多、更丰富的物理机制与功能,推动多功能量子自旋器件得到进一步发展。本论文通过总结层状类钙钛矿氧化物材料构建的多参量量子功能材料体系及性能调控规律,设计并制备了新型五层Sillen-Aurivillius氧化物,着重研究了结构调制及组成调制对铁磁性能以及交换偏置效应的影响规律。本论文分为四章,内容如下:第一章是综述章节,主要阐述了以下内容:(1)层状类钙钛矿氧化物的晶体结构及常用的结构调制方法,同时介绍了其电子结构的特征以及包含的磁相互作用的种类;(2)介绍了交换偏置效应的概念以及铁磁绝缘体的研究意义,并指出了目前应用材料体系的局限性;(3)提出了本论文的研究思路和内容。第二章主要阐述了新型五层Sillen-Aurivillius氧化物的设计思路,并给出了该氧化物制备、表征、性能测试和杂质分析的方法。一开始说明了本文中使用的陶瓷前驱体制备以及烧结的方法;随后介绍了包含X射线衍射,X射线吸收,X射线磁圆二色谱、拉曼光谱和高角度环型暗场扫描透射电子显微镜在内的材料晶体结构和电子构型的表征方法;接着介绍了样品磁性能和电输运性能的测试方法;最后介绍了层状类钙钛矿氧化物中磁性杂质的分析方法。第三章为本论文的主体部分,主要分为两个小节:(1)应用钙钛矿层数调控法对Sillen-Aurivillius化合物进行结构调制,制备出新型五层氧化物Bi8Fe3Ti2O20Cl(B8FTOCl),并研究了钙钛矿层层数对样品交换偏置性能的影响。结果表明,因钙钛矿层数由四层增加到五层,B位磁性离子(Fe3+)在钙钛矿单元中的浓度由50%提升到了约60%。层数调控显著提高了样品的磁性和交换偏置性能,50K时的交换偏置场达到了 639 Oe,比四层提高了约 64%。(2)在(1)研究的基础上,通过组成调制制备了 B位过渡金属元素Co掺杂的氧化物Bi8Fe2.8Co0.2Ti2O20Cl(B8FC0.2TOCl),重点研究了 B位过渡金属离子掺杂对材料磁性性能的影响。实验结果表明,Co掺杂会引起FeO6八面体形变增强,这与Fe-O-Co键的Dzyaloshinskii-Moriya(D-M)相互作用一起,使体系磁性增强。相比于 Aurivillius 化合物[Bi2O2]2-[An-1BnO3n+1]2+,因为 Sillen 层[(Bi2O2)2+Cl-(Bi2O2)2+]3+有效降低了 B位阳离子的总化合价,从而使相同层数的B8FC0.2TOC1钙钛矿单元有着更高的磁性离子浓度。这令它在相同钴掺杂量下,具有更为优秀的磁性能,室温下剩余磁化强度(2Mr)达到0.77emu/g。更为重要的是,B8FC0.2TOC1有着有序的层状结构和高达804K的居里温度,电阻率更是超过1010 Ω*cm(室温)。这意味着我们成功制备出了一种优秀的具有高对称性的高温层状铁磁绝缘材料。第四章总结了本论文的主要内容,阐述了论文中的创新点,并对之后可能的工作方向做出了展望。