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近十年来，强关联氧化物的界面物理成为材料科学领域的研究热点。其中，以LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)异质结构为代表的钙钛矿氧化物异质结构尤为引人注目。2004年，科学家发现LAO及STO两种典型的能带绝缘体的界面是导电的，并且在低温下具有很高的载流子迁移率。这一发现迅速引发了学术界的广泛关注。在这之后，人们相继在这一界面上观察到超导电性、磁电阻特性、超导铁磁共存、机电耦合效应等有趣的现象，并提出高速场效应器件、高速高效传感器、非易失性存储器等应用方案。然而，伴随着诸多的新奇特性和广泛的应用前景，LAO/STO及相关异质结构中却存在着许多悬而未决的问题，特别是界面载流子的物理来源一直没有得到很好的解释。早期的研究认为，LAO/STO界面的二维电子气来源于界面的极化不连续导致的电荷重构。这一图像较好地解释了LAO/STO异质界面的导电性，以及出现导电界面的LAO特征厚度。但是，该图像无法解释很多具有极化不连续界面的异质结构仍然保持绝缘性。之后提出的氧空位模型、离子扩散模型、非化学计量比模型等模型，虽然也分别解释了LAO/STO异质结构中的一些现象，但始终没有一种模型可以解释该结构的所有性质。除了界面导电性以外，该体系中其他性质的物理来源也存在争议，比如极低温下的超导电性，以及在LAO及STO体块中都不存在的“类压电响应”现象等。对这些特性物理根源的模糊认知大大地制约了对该体系的理解和应用。着眼于从物理上解释极性/非极性界面的若干新奇物性，本论文开展了大量的工作，取得主要进展如下: 1.为了获得表面原子尺度平整的单一终止STO衬底，系统研究了STO单晶不同晶面的湿化学腐蚀和后退火工艺。针对不同取向的衬底，分别总结出了腐蚀-高温退火，及高温退火-腐蚀-低温退火两种处理方案，研究了腐蚀液浓度、腐蚀时间、退火时间、退火温度等因素对衬底表面形貌的影响，获得了具有台阶状原子级平整表面的单一终止的(001)、(111)和(110)STO衬底。 2.首次制备了(001)和(111)两种取向的NdGaO3/SrTiO3(NGO/STO)钙钛矿异质结构。在(001) NGO/STO异质结构中，得到了高于1013 cm-2的载流子浓度和最高达1000 cm2V-1s-1的低温载流子迁移率，其金属绝缘体转变的NGO特征厚度为4个NGO晶胞的高度。(111) NGO/STO异质界面的载流子浓度与(001)界面类似，但获得导电界面的特征厚度为7个晶胞高度。后退火实验及STO/STO同质外延对比实验表明氧空位对于异质结构中出现的界面导电性不起主要作用。 3.制备了一系列(001)取向的ReAlO3/STO(ReAO/STO)异质结构，其中Re=La、Nd、Sm、Gd。当极性ReAO薄膜的厚度为10个晶胞高度时，LAO/STO和NdAlO3/STO(NAO/STO)界面表现出金属性输运行为，而SmAlO3/STO(SAO/STO)和GdAlO3/STO(GAO/STO)界面保持绝缘性。电子能量损失谱分析表明，LAO/STO和NAO/STO界面的Ti3d轨道中填充了较多的电子，SAO/STO和GAO/STO界面的Ti3d轨道中电子较少。GAO/LAO和SAO/LAO复合极性薄膜沉积在STO表面同样能够导致电荷转移，形成导电界面，表明GAO和SAO对于极化不连续仍有贡献，但比LAO贡献要小，可能是因为较大的晶格畸变产生的离子移位抵消了极化不连续造成的静电势能，抑制了电子转移的发生。这个结果为电荷重构模型提供了重要的实验支持。 4.利用压电力显微镜(PFM)，静电力显微镜(EFM)，扫描开尔文探针显微镜(SKPM)系统地研究了LAO/STO异质结构中的机电响应，结果表明LAO/STO的机电响应是LAO的本征电致伸缩受外加电场调制的结果。对于氧空位密度较大的样品(制备时氧分压＜10-5 mbar)，带电PFM导电探针引起的氧空位迁移自身就可以产生很强的PFM信号。但对于氧空位密度较小的样品，氧空位的迁移不足以产生很强的PFM信号。此时，PFM信号随着样品表面离子吸附物浓度的增加而增加，这些吸附物产生于PFM的写畴过程中，并随着大气湿度的增加而增多。