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功能薄膜在现代电子和通讯器件中具有广泛的应用。由于界面的电学和磁学性能在很大程度上控制着器件的使用效能，而这些界面的性质又受到界面的原子结构、成分和化学键的强烈影响，对于薄膜界面的研究非常重要。随着现代高分辨电子显微术和高空间分辨分析电子显微术的发展，我们有可能在原子或纳米尺度研究薄膜中界面的显微结构和成分组成。
本文利用(扫描)透射电子显微术、高角环形暗场成像术、X射线能量色散谱、电子能量损失谱分析和能量过滤成像技术对于几种功能薄膜的显微结构和成分组成进行了研究。研究的重点在于界面的结构。主要包括以下几个方面:
采用两步法通过激光分子束外延技术在Si(001)衬底上生长的高K栅介质Er2O3薄膜，在30nm和100nm两种厚度下均由具有(111)织构的多晶晶粒组成，织构关系为Er2O3{111}//Si(001)。在薄膜和衬底之间的界面上发现了厚度为2-3nm的含有有序小岛的非晶界面层。界面层的成分主要由Er和O构成，仅含有非常少量的Si。这种类型的界面将对提高薄膜的电学性能有重要的意义。
采用激光分子束外延技术在SrTiO3(001)衬底上、在两种非优化氧压条件(1Pa和0.3Pa)下外延生长的单相多铁性BiFeO3薄膜，均含有镶嵌在BiFeO3薄膜基体中的反铁磁的α-Fe2O3第二相。α-Fe2O3与BiFeO3的取向关系被确定为(001)α-Fe2O3//(111)p-BFO，[010]α-Fe2O3//[-110]p-BFO。随着氧压的降低，α-Fe2O3相的密度和尺寸增加，形状变得不规则。在α-Fe2O3粒子与BiFeO3薄膜基体的界面上分布有周期性排列的位错，说明α-Fe2O3粒子以半共格的形式镶嵌在BiFeO3薄膜中。在1Pa下生长的薄膜与SrRuO3/SrTiO3基体的界面上没有发现失配位错，说明薄膜中的失配应变通过形成α-Fe2O3相的形式已经完全得到释放。相比之下，在0.3Pa下生长的薄膜中除了α-Fe2O3相外，还在薄膜与衬底的界面处发现了亚铁磁性的Fe3O4析出物。Fe3O4与BiFeO3的取向关系被确定为(001)Fe3O4//(001)p-BFO，[010]Fe3O4//[010]P-BFO。薄膜与SrRuO3层的界面上发现了高密度的失配位错，说明薄膜中的失配应变是通过形成失配位错和α-Fe2O3相两种形式释放的。薄膜中Fe化合价为+3价。讨论了第二相的形成机理和它们对电学和磁性性能的影响。指出可通过调控生长氧压来制备具有潜在应用价值的纳米复合薄膜。
通过对脉冲激光沉积和磁控溅射技术的精确控制，成功实现在SrTiO3(001)衬底上Fe/BaTiO3复合多铁性薄膜的外延生长。Fe与BaTiO3之间的外延关系为(001)Fe//(001)BTO，[-110]Fe//[010]BTO。Fe/BaTiO3界面是半共格的，具有周期性排列的失配位错网络。通过[010]和[110]两个方向的高分辨成像，确定了界面位错为不全位错，柏氏矢量1/2为α<100>，位错线的方向为<010>。通过建立界面的几何模型提出位错网络的形成机理。在分析了各层薄膜的残余应变的基础上，讨论了BaTiO3薄膜层的厚度对Fe/BaTiO3界面位错形成的影响。
在实验高分辨成像的基础上，结合像模拟计算，研究了Fe/BaTiO3复合多铁性双层外延薄膜中的Fe/BaTiO3界面的原子结构。发现存在两种类型的界面配置。确定界面的终结面为BaO面，一种界面是Fe原子位于由Ba-Ba和O-O原子组成的中心空洞的上方，另一种是Fe原子同时直接位于Ba和O原子的上方。这两种界面之间具有一定的平移关系，两种类型界面是由αFe/2<110>或者αFe/2<001>界面位错引入的。这两种界面原子结构的确定，可以为理论研究Fe/BaTiO3界面磁电耦合效应提供结构信息。