强关联过渡金属氧化物（TMOs）中一般都存在电荷、自旋、轨道和晶格等自由度之间复杂的耦合和竞争,从而表现出许多独特的宏观物性,如金属-绝缘相变、高温超导、拓扑绝缘态等。作为一种典型的TMOs材料,二氧化钒（VO2）在68℃附近会发生显著的金属-绝缘相变（MIT）,并伴随着电导率、红外透射率和磁学等性质的巨大变化。这一独特的MIT行为,使VO2相变材料在超快光电开关、神经元计算、阻变存储、微致动器和激光防护等领域具有广阔的应用前景。尽管围绕VO2的研究已经开展了数十年,但对于它的微观相变机理的研究仍存诸多争议,比如Mott相变和Peierls相变的机制之争。此外在实际应用中也存在相变温度过高的瓶颈问题,尽管通过掺杂等手段能够降低VO2相变温度,但是其宏观相变性能出现极大衰减,从而严重制约了其实际应用。因此,本论文从VO2薄膜的高质量制备和氢化相变调控出发,利用原位光电测试并结合同步辐射表征技术以及第一性原理计算,研究了 VO2外延薄膜中氧空位和掺杂氢原子之间的相互作用,研究了基于n-VO2/p-GaN薄膜异质结中的光致氢化相变调控,此外还研究了有机小分子在VO2薄膜表面的自组装吸附和室温金属化相变的稳定性问题。基于上述研究,本论文取得如下研究成果:（1）在金属氧化物材料中,氧空位作为一种典型的点缺陷,很容易对材料的物理和化学性质产生影响。为了获得具有化学计量比的氧化物晶体,在氧气气氛中高温退火是最常见的减少氧空位含量的方法。然而,对于多价态的氧化物材料,在氧气氛中的退火条件非常敏感,此外氧空位在固体晶格中的迁移能垒较高,使得利用高温退火处理来修复晶格氧空位的效果欠佳。基于此,我们研究了富氧空位的VO2外延薄膜,提出了一种通过掺氢来降低氧空位迁移能垒的新策略,从而在较低的温度下实现了对VO2-δ晶体中氧空位的高效修复。利用同步辐射X射线吸收谱（XAS）技术精细表征了氢原子掺杂和氧空位修复过程中VO2-δ晶体的电子轨道占据的变化,同时结合第一性原理理论计算,解释了氢掺杂能够提高氧空位修复效率的物理机制。这种通过氢化掺杂降低氧空位迁移能垒的策略为其他金属氧化物中的缺陷调控提供了可行的方案。（2）VO2独特的MIT行为在超快光电开关、阻变存储和神经元器件等领域极具应用价值。因此,如何有效调控MIT过程来提升这些器件的性能一直是此领域关注的重点。在本研究中,我们创新性地实现了一种基于VO2异质结的光致相变,在酸液中成功调控了 n-VO2/p-GaN薄膜异质结中VO2的相变行为。此外通过持续的光照,实现了基于VO2薄膜的绝缘-金属-绝缘的连续三态相转变的调制。实验结果表明,VO2的相变源于紫外光照诱导的H+、Al3+、或Mg2+离子的晶格掺杂。结合标准的光刻工艺,我们在实验上还实现了 VO2薄膜在纳米尺度的选择性离子掺杂,为新型光敏探测器的制作奠定了基础。（3）通过氢原子掺杂能够在氧化物材料中形成电子掺杂,从而导致强关联过渡金属氧化物发生相变。然而基于氢原子的非稳定掺杂一直限制着它的实际应用。基于电子-质子协同掺杂调控VO2相变的策略,我们利用L-抗坏血酸（AA）溶液中解离的AA-离子与VO2之间发生表界面螯合反应,在VO2薄膜中实现了稳定的氢掺杂以及室温金属化相变。利用同步辐射XAS技术,我们观察到了 V 3d和O2p杂化轨道之间的电子占据情况随着氢掺杂浓度的演化过程。此外理论计算表明,在化学势的作用下,AA-离子提供的电子转移到了VO2中;在静电力的吸引下,溶液中的H+离子也会被掺入到VO2中,从而诱发绝缘-金属转变。此外,表面吸附的AA分子抑制了 VO2晶格中氢原子的溢出,从而极大的提高了这种氢化诱导的室温金属化相变的稳定性。