自旋轨道耦合作用是指粒子的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,在材料中自旋轨道耦合作用往往会对系统的哈密顿量添加一个作用相,对于一般材料来说自旋轨道耦合作用很弱,比起其他的能量差几个数量级,所以这些材料中的自旋轨道耦合作用仅仅被当做一个微扰,对材料的物性影响不大。但是对于一些含有重原子的材料来说,重原子的自旋轨道耦合作用很强,往往对材料的物理性质起到了比较强的作用,因此这些材料中也会出现一些新奇的物理现象。本论文首先介绍一些强自旋轨道耦合材料中的一些新奇现象,随后介绍两种强自旋轨道耦合材料Sr₂IrO₄和ZrBi₂的物性研究。第一章首先介绍自旋轨道耦合的起因、大小以及分类,随后重点介绍目前国际上研究热门的几种强自旋轨道耦合材料,比如拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体、Axion绝缘体、SIater绝缘体以及量子自旋液体。第二章主要介绍铱氧化物以及Sr₂IrO₄的一些研究现状。5d过渡族金属氧化物中有很强的自旋轨道耦合作用,它与强电子关联作用以及晶体场一起决定了材料的基态,而这三种作用之间的相互竞争效应也导致了铱氧化物中丰富多彩的物理性质。Sr₂IrO₄是一种自旋轨道耦合作用导致的Mott绝缘体材料,由于与铜氧化物超导体母体材料La2CuO4具有类似的晶格结构和电子结构,Sr₂IrO₄被预言可以实现高温超导。理论和计算研究中有很多将Sr₂IrO₄变成超导体的途径,但是在实验中却一直没能实现。实验上最接近Sr₂IrO₄超导的应该是STS谱探测到的类似d波的实验和ARPES实验中观测到的费米弧,但这两种实验结果都不能给出超导电性的直接证据。本章中还介绍了一些Sr₂IrO₄的掺杂和加压的实验研究,可以看出单晶中很容易实现金属性,但是多晶Sr₂IrO₄中却很少有实现金属性的实验结果,同时,Sr₂IrO₄的绝缘体的电输运性质对压力不敏感。从第三章到第五章介绍的是我在博士学习期间获得的一些科研成果,分两种体系。第三章中介绍了 Sr₂IrO₄中Ga掺杂效应的研究。我们成功制备了一系列Sr₂-xGaxIrO₄多晶样品,表征实验显示Ga的掺杂并未引起结构变化,Ga的掺杂引入了载流子,使得Sr₂IrO₄中部分的Ir⁴⁺变成Ir³⁺。输运方面的测试显示Ga的掺杂降低了 Sr₂IrO₄的电阻率和弱铁磁性,当掺杂达到5%时会使得Sr₂-xGaxIrO₄多晶样品高温下出现金属性,这和减弱的带隙以及增加的载流子浓度有关系;当掺杂量在2.5%-5%之间时Sr₂-xGaxIrO₄多晶样品在低温下出现一个新的磁性转变,这个磁性变化是和Ir⁴⁺之间通过Ir³⁺的交换作用相关,转变前后都是反铁磁态。第四章介绍了 Sr₂IrO₄中 Ir-O-Ir键角和载流子浓度对物性影响的研究。我们制备了一系列Ba掺杂的Sr₂IrO₄多晶样品和La掺杂的Sr₂IrO₄多晶样品,实验结果显示,Ba的掺杂只是扳直了 Sr₂IrO₄中Ir-O-Ir的键角,几乎没有引入载流子,而La掺杂则引入了电子型载流子,对Ir-O-Ir键角的影响很小;输运方面的测试显示,Ba的掺杂几乎对体系的电阻率和磁性没有影响,相反La的掺杂很明显的降低了体系的电阻率和磁性。综合以上结果我们指出,Sr₂IrO₄中Ir-O-Ir键角对输运性质的影响远远没有载流子对输运的影响大。第五章介绍了 ZrBi₂的生长和研究。我们生长出了一种金属Bi化物单晶ZrBi₂,对ZrBi₂的电输运测量发现和很多的超导Bi化物不同,ZrBi₂到2K下都未超导,磁阻的测量显示ZrBi₂在2K下的磁阻达到了 400%,且磁阻与磁场的关系不是正常金属的平方关系,通过不同温度的磁阻测量我们发现ZrBi₂的磁阻满足科勒定律,暗示着这里面只有一种散射机制。由于样品尺寸的原因我们不能进行霍尔电阻的测量,所以无法判断ZrBi₂中的载流子类型以及载流子的变化。第六章给了全文的总结与展望。