自旋电子学是一门新兴的学科。相比于电子的电荷,自旋电子学更加关注于电子的自旋。自旋电子学的三个核心内容是自旋注入、自旋长程输运以及自旋的调制。高性能自旋电子学器件的技术关键之一就是实现从磁性材料到半导体材料的高效率的自旋注入,因此自旋注入源需要由高自旋极化率材料来充当。半金属铁磁材料CrO2在费米能级处具有接近100%的自旋极化率,因此是作为自旋注入源的理想候选材料。CrO2在磁隧道结和自旋阀等自旋电子学器件中的应用已得到了广泛的研究。近年来,在超导自旋电子学、反常霍尔效应以及磁性外尔半金属等领域中关于CrO2的研究又有了新的发现,因此CrO2继续吸引人们的广泛关注。CrO2在常温常压下是亚稳态,这限制了CrO2的应用范围。为了解决这一问题,一些研究通过少量的元素替代提高了CrO2稳定性。同时元素替代对CrO2磁性和半金属性的影响规律也吸引了人们极大的关注。而这就对元素替代的浓度范围和可控程度提出了要求。现阶段关于CrO2中元素替代的研究主要集中于少量的元素替代,实现了高浓度元素替代的研究并不多见。这主要是由于实现高质量的CrO2制备及元素替代在制备技术方面存在很大困难。一些研究尝试通过密度泛函理论研究高浓度元素替代对CrO2的影响,并预测了一些非常吸引人的结果。这更表明对CrO2中元素替代效应需要进行系统的实验研究。高温高压合成技术虽然是一种复杂的合成技术,并且到目前为止较少被应用于合成磁性材料,但它能够提供一个超高压强与高温共存的密闭环境,而这正可以解决CrO2在常温常压下处于亚稳态的问题,非常适合作为CrO2的元素替代研究的合成方法。本论文采用高温高压合成技术在CrO2中实现了Ti、V、Mn和Ir元素的替代。并系统研究了元素替代对CrO2的结构和磁性的影响。本论文研究了元素周期表中与Cr近邻的三种3d过渡金属元素Ti、V、Mn在CrO2中进行元素替代的影响。因为在Ti、V和Mn的二氧化物中都存在着和CrO2相近的金红石结构。尽管金红石结构的Ti O2、VO2、CrO2和Mn O2在晶格常数方面只有很小的差别,且其中Ti4+、V4+、Cr4+、Mn4+的3d壳层电子构型也只有d~0、d~1、d~2和d~3的差别,但Ti O2、VO2、CrO2和Mn O2在电性和磁性方面有非常大的差异。这显示了在它们中存在较复杂的电子-晶格关联和电子-电子关联。因此利用Ti4+、V4+、Mn4+替代CrO2晶格中的Cr4+,研究替代元素种类与比例对于CrO2的结构、磁性以及半金属性的影响,对于深入理解Cr1-xMxO2（M=Ti,Mn,V and Ir）中各种复杂的物理机制以及调控CrO2的结构、磁性和半金属性具有重要的意义。与3d过渡金属元素相比较,Ir作为5d过度金属具有较强的自旋轨道耦合（SOC）效应。在含Ir的体系中,经常发现与强SOC效应相关联的强磁晶各向异性、强反常霍尔效应等特性。因此本论文研究了Ir替代的CrO2的高温高压合成。探索通过Ir元素的替代,在CrO2中引入SOC效应,从而实现对其磁晶各向异性调控,以期扩展CrO2的应用范围。本论文采用高温高压合成方法,分别研究了Ti、Mn、V、Ir在CrO2中的高浓度元素替代,制备了Cr1-xTixO2、Cr1-x Mn xO2、Cr1-x V xO2和Cr1-xIrxO2四个系列的固溶体。系统性的研究了替代元素的种类、替代量等因素对晶体结构、磁性、电子结构的影响,探索对CrO2的半金属铁磁性的调控机制。取得了以下主要结果:1.采用高压高温合成方法合成Cr1-xTixO2（0≤x≤1）固溶体,并对其结构、磁性及电子结构进行了系统的实验和理论计算研究。在0≤x≤0.4和x=1范围内,Cr1-xTixO2样品的晶体结构为金红石结构（P42/mnm）。而在0.5≤x≤0.9范围内,样品的晶体结构为Ca Cl2结构（Pnnm）。这是首次在如此大的元素替代浓度范围内发现Ca Cl2结构Cr1-xTixO2固溶体的存在。Ca Cl2型Cr1-xTixO2固溶体形成的原因应该是因为元素替代导致的正化学压力和高压合成时的外加物理压力共同作用的结果。Cr1-xTixO2体系的饱和磁化强度随x的增加呈线性减少。此外,Cr1-xTixO2样品的居里温度随着x的增加也明显减少。这是由于非磁性Ti4+随机取代Cr4+并占据其位置时,Cr1-xTixO2中的净交换作用会减小。当Ti4+占据体系中的大部分位置时,Cr4+离子将被非磁性的Ti4+离子分离得足够远,并且随着x的增加,长程铁磁序减弱甚至消失,Cr1-xTixO2最终将接近顺磁性。Cr1-xTixO2固溶体在x≤0.5时都具有较大的低温磁电阻效应,表明其仍具有半金属性。对Cr1-xTixO2体系进行了密度泛函理论计算,理论计算同样得出了随x的增加Cr1-xTixO2固溶体发生由金红石结构到Ca Cl2结构转变的结果。理论预测的Cr1-xTixO2体系的磁性结果与实验结果吻合较好。密度泛函理论计算也表明当x≤0.6时,Cr1-xTixO2样品都呈现半金属铁磁性。2.在高温高压条件下制备了Cr1-xMnxO2（0≤x≤0.4）固溶体,并研究了样品的晶体结构和磁性。所有Cr1-xMnxO2样品的晶体结构均为金红石结构,空间群号为P42/mnm。基于XRD数据的结构精修结果表明,Mn原位取代Cr进入CrO2晶格。并且随着Mn掺杂量的增加,样品的晶格参数a只是轻微的减小,而晶格参数c明显减小;晶格参数a的变化偏离了Vegard定律。Cr1-xMnxO2样品的饱和磁化强度随着x的增加而降低。根据XPS结果分析,CrO2中的Cr阳离子不是简单的Cr4+,而是以Cr3+、Cr4+和Cr5+的形式存在,Cr的不同价态是由自掺杂效应所导致的。当Mn4+阳离子取代Cr4+阳离子进入CrO2晶格时,Mn4+被还原为Mn2+或Mn3+,而部分Cr被氧化为Cr6+。根据XPS分析得到的不同价态离子所占百分比,本论文计算得出的Cr1-xMnxO2样品的磁矩与实验值基本一致。阳离子间的电荷转移也解释了晶格参数a的异常变化。以往的关于Cr1-xMnxO2体系的理论计算预测结果与我们实验得到的结果不一致,其主要原因是密度泛函理论计算没有能够正确预测Cr1-xMnxO2体系中阳离子间的电子转移,而我们的研究从实验上首次发现了这一点。3.利用高压高温合成方法制备了Cr1-xVxO2固溶体（0≤x≤0.3）,研究了样品的晶体结构和磁性。所有Cr1-xVxO2样品的晶体结构均为金红石结构,空间群号为P42/mnm。结构精修的结果表明,V原位取代Cr进入CrO2晶格。根据Vegard定律,由于V离子比Cr离子的半径大,随着V掺杂量的增加,样品的晶格参数a明显增加,而晶格参数c小幅减小,这是因为沿c轴方向存在较强的金属键。随着V掺杂量的增加,Cr1-xVxO2样品的磁性从铁磁性快速转变为反铁磁性。Cr1-xVxO2样品的饱和磁化强度随着x的增加而迅速降低。样品的居里温度也随着V的掺杂量增加而降低。这表明V的掺杂导致Cr1-xVxO2中反平行磁矩的出现。4.在高温高压条件下首次制备了具有良好结晶度的Cr1-xIrxO2（0≤x≤0.2）固溶体,并研究了样品的晶体结构和磁性。当0≤x≤0.14时,样品的晶体结构是金红石结构,空间群号为P42/mnm;当0.17≤x≤0.20时,样品中除了有金红石结构的Cr1-xIrxO2的固溶体之外,还有Cr2O3存在。随着Ir掺杂量的增加,样品的晶格参数a也随之增加,产生这一现象的原因是离子半径较大的Ir4+替代离子半径较小的Cr4+。在0≤x≤0.2范围内,所有的Cr1-xIrxO2样品依然保持铁磁性;Cr1-xIrxO2样品的居里温度和饱和磁化强度随着x的增加而降低。Ir的掺杂对CrO2的矫顽力产生了强烈的影响,随着Ir掺杂量增加,样品的矫顽力明显增大;当x=0.2时,样品的矫顽力达到15338 Oe。实现了通过Ir的掺杂来调控样品的矫顽力。