VO2在340 K温度附近发生金属-绝缘体转变,对转变起因的了解一直是热点的研究,虽然已提出很多理论或模型,但涉及转变的物理本质至今仍未达成共识。由于伴随转变有几个量级的电阻率突变,使其显示出巨大的潜在应用前景,但VO2本身的转变温度大大高于室温,限制了其应用价值,如何实现室温附近的金属-绝缘体转变则成为另一个热点的研究。本论文基于电、磁性质的实验研究,从金属-绝缘体转变和由磁化率突变所表征的磁转变之间的关联性、转变前后的磁行为以及高价态离子的掺杂效应等角度,围绕金属-绝缘体转变相关的问题开展研究,论文主要工作及创新点概况如下:1、基于VO2样品的电阻率和磁化率随温度变化关系的实验研究,从实验上揭示金属-绝缘体转变和由磁化率突变所表征的磁转变发生在相同的温度范围内,两种转变之间显示出密切的关联性。2、将对磁性高度敏感的电子顺磁共振技术应用于VO2样品转变前后顺磁行为的研究,结果表明,转变温度以上样品中没有可观测的顺磁共振信号,而转变温度以下观察到明显的共振信号且信号强度随温度降低而增大。基于电子顺磁共振的实验和分析,对来自V4+的d电子所处的物理环境、自旋-自旋以及自旋-轨道耦合等进行了分析和讨论。3、对VO2样品在转变前后的磁化率随温度的变化关系进行了研究,结果表明,转变温度以上样品表现为泡利顺磁性,而转变温度以下样品的顺磁性既不能根据泡利顺磁理论也不能根据居里顺磁理论而得以解释。在对实验数据分析的基础上,提出适合于定量解释低温顺磁磁化率的唯象表达式。4、将基于二电子系统所进行的电子态理论分析应用于解释VO2中观察到的各种不寻常的现象,认为高温泡利顺磁金属性是因为来自V链上相邻V4+离子的d电子彼此间没有自旋交换作用所致,而低温不寻常的现象则与V链上相邻d电子间存在自旋交换作用有关。由于电子间自旋交换作用,原本四重简并的电子态分裂成能量较低的S=0单态（二聚体态）和能量较高的S=1的三重态,由此解释观察到的金属-绝缘体转变和由磁化率突降所表征的磁转变源于从高温泡利顺磁金属态到低温电子高度局域化的二聚体态的转变。进而通过考虑单态电子热激发引起的未成对电子对居里顺磁性的贡献和残留V4+离子对泡利顺磁性的贡献,提出适于定量解释低温磁化率随温度变化的表达式,基于高、低温磁化率随温度变化关系的拟合,得到伴随转变有~85%的V4+离子通过以自旋相反的形式配对形成了二聚体的结论。5、针对V1-xNbxO2和V1-xTaxO2两组样品,研究了Nb和Ta掺杂对金属-绝缘体转变温度的影响。结果表明,对Nb掺杂样品,转变温度以-13 K/at.%速率随掺杂量增加而降低,但与此同时,掺杂也引起转变宽度的明显增加和电阻率突变值量级的明显降低。相对于Nb掺杂,Ta掺杂引起的转变温度降低速率稍有降低,但Ta掺杂并未引起转变宽度和电阻率突变值量级的明显改变,在3-4%Ta掺杂样品中,金属-绝缘体转变发生在室温附近且保持了两个量级的电阻率突变。磁化率测量表明,由磁化率突降所表征的磁相变和金属-绝缘体转变发生在几乎相同温度,两种转变之间显示出明显的关联性。6、对Nb掺杂样品在转变前后的磁性进行了实验研究和定量分析。高温磁化率的定量分析表明,掺杂没有改变高温泡利顺磁性,但引进了额外电子到系统中。低温磁化率测量表明,相对于未掺杂样品,掺杂样品随温度的变化有更强的温度依赖关系,通过考虑来自二聚体的热激活电子、残留V4+离子、因掺杂额外引进的额外电子以及V3+离子对磁化率的共同贡献,提出适于定量解释低温磁化率随温度变化的表达式,拟合结果表明,Nb掺杂除引进额外电子外还将V3+离子引入到系统中。基于对实验结果和文献上报道结果的综合分析,认为较大尺寸的离子掺杂引起V-V间隔的增大是导致金属-绝缘体转变温度降低的主要因素。