过渡金属氧化物属于强关联电子体系,其材料内部的晶格、电荷、轨道、自旋相互耦合产生了诸多重要的物理现象,如超导、巨磁阻效应、金属绝缘体转变、磁有序等。近年来,随着材料离子调控研究的不断深入,越来越多材料的物理、化学性质可以通过控制材料中离子的转移进行调节。因此,对于过渡金属氧化物而言,离子也应看作决定材料物理性质的一个自由度。对材料进行离子调控,不仅可以改变材料的物理性质。而且,控制离子转移的过程在固体氧化物燃料电池、储氢材料等能源领域具有重要用途。在自然界中,钴元素的价态丰富,这也为在钴氧化物实现离子调控提供了天然的优势条件。因此,钴氧化物也被认为是研究过渡金属氧化物离子调控的突破口。本文以钴氧化物作为范例,分别利用电流效应、退火和离子液体门电压三种方法对材料进行离子调控。获得的主要结果包括:1. 利用电流效应和温度循环相结合在薄膜中实现了局域的氧缺陷调制,提出了一种全新的应变依赖的氧缺陷调控手段。实验结果显示,在连续的循环输运测试下,（011）-La0.7Sr0.3Co O3/Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3薄膜的电输运性质逐渐由金属行为转变为绝缘体行为。这表明薄膜中Co离子由+4价向+3价转变,使Co4+/Co3+比例下降,进而导致薄膜输运行为的转变。高分辨TEM研究发现,薄膜中产生了局域的氧缺陷,从而导致Co4+/Co3+比例下降。进一步的电输运实验表明,薄膜中局域氧缺陷的产生源于电流效应和温度循环的协同作用。此外,通过与块体的循环输运测试结果对比,发现薄膜中氧缺陷的产生高度依赖于应变。利用电流效应和温度循环相结合的方法可以精准调制氧缺陷,这项工作为新型高效固体氧化物催化剂的研究提供了新机遇。2. ABOx体系中A位离子和O离子的转移在诱导或提升材料功能方面取得了巨大成功,而B位阳离子直接决定着材料的物理性质。我们利用真空热退火手段,首次在La0.7Sr0.3Co O3薄膜中实现了O离子和B位阳离子的协同迁移。薄膜中O离子和B位阳离子的协同迁移,使薄膜发生从钙钛矿结构La0.7Sr0.3Co O3到钙铁石结构La0.7Sr0.3Co O2.5再到单层钙钛矿结构La1.4Sr0.6Co O4的连续三相拓扑学相变（topotactic phase transition）。球差扫描透射电子显微镜（STEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收谱（XAS）和电子能量损失谱（EELS）的结果表明,B位Co离子沿着钙铁石结构的Co O4四面体子层迁移出晶格框架,并以单质团簇的形态镶嵌在薄膜中。第一性原理计算和对Co离子的氧化态分析表明,A位La元素的掺杂降低了Co O4四面体子层中Co离子的价态,从而有效降低了Co-O键的强度和Co O4四面体子层的内聚能。随退火温度的升高,Co O4四面体子层中的Co-O键发生断裂,形成Co离子转移通道,进而导致O离子和Co离子的协同迁移。与此同时,双离子的协同转移也导致了Co离子3d电子的重新排布,使材料性质从铁磁金属态转变为亚铁磁绝缘态再转变为铁磁绝缘态。本项工作首次将可调控的离子种类由A位离子和O离子拓展至B位离子,并实现了连续的拓扑学相变（topotactic phase transition）,为拓扑学相变（topotactic phase transition）在离子电子学、电催化、离子电池等多领域的研究与应用开辟了新思路。3. 离子液体门电压调控已经成为了调控材料性质的重要手段,提升其室温下的调控效率成为了离子液体调控研究的核心问题。我们利用面外拉应变,大幅提升了离子液体对La0.7Sr0.3Co Ox薄膜钙铁石-钙钛矿结构拓扑学相变（topotactic phase transition）在室温下的调控效率,并在La0.7Sr0.3Co Ox/La Al O3薄膜上实现了（钙铁石-钙钛矿）拓扑学相变（topotactic phase transition）的可逆调控。将不同面外拉应变的钙铁石结构薄膜作为初始样品,并对其进行离子液体门电压调控。发现当栅极电压为-3 V时,所有薄膜均转变为钙钛矿结构。当栅极电压变为+3 V时,离子液体对薄膜的调控效率随面外拉应变的增大而提升。XAS结果表明La0.7Sr0.3Co Ox薄膜在钙钛矿结构时,氧缺陷浓度随面外拉应变的增大而增大。面外拉应变会降低氧缺陷的Gibbs自由能,进而有助于钙钛矿结构向钙铁石结构的转变。伴随着离子液体门电压对La0.7Sr0.3Co Ox/La Al O3薄膜拓扑学相变（topotactic phase transition）的可逆调控,薄膜也经历了从亚铁磁绝缘态到铁磁半导体态的物理性质的可逆转变。这项工作通过引入面外拉应变大幅提高了离子液体门电压在室温下的调控效率,对离子液体门电压这一离子调控手段向更多材料的推广具有重要意义。4. 钙铁石结构钴氧化物因其拥有一维氧缺陷通道而在催化领域具有重要潜在应用。然而其氧缺陷通道在面内方向排布,这大大限制了该材料的催化效率。我们在先前研究认知的基础上,利用真空退火手段,全面系统地研究了La0.7Sr0.3Co Ox薄膜钙钛矿-钙铁石拓扑学相变（topotactic phase transition）过程中晶格结构和物理性质的演变规律。发现了钙铁石结构La0.7Sr0.3Co O2.5薄膜一维氧缺陷通道方向由面内转向面外的实验证据。分析发现,La0.7Sr0.3Co Ox薄膜的钙钛矿-钙铁石拓扑学相变（topotactic phase transition）主要发生在350至400℃退火温区内。伴随着这一退火温区内的拓扑学相变（topotactic phase transition）,薄膜的电阻也发生了近两个数量级的陡增。同时,薄膜在低温下的饱和磁化强度伴随退火温度的上升呈现缓慢的增大趋势。XRD结果显示,当退火温度升至500℃时,La0.7Sr0.3Co O2.5/LaAlO3中的一维氧缺陷通道的排列方向由面内转向面外。进一步分析表明,当温度为500℃时,面内压应变能够使Co O6八面体顶点位置氧缺陷的Gibbs自由能与赤道面位置相当,Co O6八面体顶点位置开始产生氧缺陷,从而实现了La0.7Sr0.3Co O2.5薄膜氧缺陷通道排列方向向面外的转变。这一发现对提升拓扑学相变（topotactic phase transition）材料氧化还原催化效率、控制氧化还原反应速率等具有重大意义。