过渡金属尖晶石型氧化物不仅展现出丰富的物理性质,如多铁性,负热膨胀,磁形状记忆效应等,而且在诸多领域具有重要的应用价值,如微波器件、磁存储等,一直以来都是凝聚态物理的重点研究领域之一。在尖晶石体系中,几何阻挫与自旋-轨道-晶格耦合直接影响材料的磁、轨道、结构等性质,但关于钛、钒基尖晶石中磁、轨道、结构相变的研究仍存在大量争议与不清楚之处,比如反尖晶石中磁结构与几何阻挫之间的关系等。此外,尖晶石体系的磁结构、轨道状态以及晶体结构能够控制磁畴、晶畴的形态与分布,但现有的研究很少关注晶畴的排列状态对材料物性的影响。为解决这些问题,在本论文中,我们生长了多种钛、钒基尖晶石单晶样品,并通过对多种物性的测试分析,系统研究了材料的晶体结构、磁结构、轨道态以及复杂的相变机制。MnV2O4是一种典型的Jahn-Teller晶体,但对MnV2O4物性的研究一直存在诸多争议,其复杂相变的机制,轨道状态与晶畴排列、以及物性之间的具体关联均尚未有确切的结论。使用光学浮区法生长了Mn1-xMgxV2O4（x=0,0.05,0.10,0.15）体系单晶样品,通过变温XRD、磁性、比热、热膨胀、热导率等性质的测试分析,发现Mn1-xMgxV2O4体系在发生从立方到四方的结构相变后并未立即进入轨道有序态,而是存在一定程度的轨道涨落,这种轨道涨落在更低温度下才完全消失。伴随着轨道涨落的消失,易磁化轴从平行于ab T平面旋转为平行于c T轴,进而导致四方晶畴重排,使样品产生巨大的形变。此外,Mg掺杂能够增强这种轨道涨落,进而增强体系的磁各向异性,显著降低磁致伸缩曲线上的剩余应变,提高磁致伸缩性能。反尖晶石Co2TiO4表现出一系列的反常性质。当磁场超过15 kOe时,在补偿温度处出现磁化强度的极小值与新的比热峰,交换偏置场出现由正到负的变化等,但关于这些反常现象至今仍没有合理的解释。通过对Co2TiO4单晶的交、直流磁化率,比热,热膨胀,磁致伸缩以及交换偏置等物性的研究发现,Co2TiO4单晶在磁有序温度以下具有半自旋玻璃磁结构,即纵向分量保持亚铁磁有序,而横向分量则处于自旋玻璃状态。Co2TiO4单晶中B位离子磁矩容易受磁场影响而偏转,产生沿磁场方向的磁矩变化量ΔSB。此外,超过15 kOe的磁场能够诱导Co2TiO4单晶在磁补偿温度处发生自旋重取向转变,即反平行于磁场方向的亚铁磁分量被旋转180°。磁场诱导的沿磁场方向的磁矩变化量与自旋重取向转变共同导致了Co2TiO4单晶中的反常物理现象。一直以来,关于反尖晶石Fe2TiO4的磁有序相变与结构相变均存在较大的争议。在本论文中使用光学浮区法生长了化学整比的Fe2TiO4单晶,通过对其结构、磁性的分析发现,Fe2TiO4单晶在115 K处发生亚铁磁有序相变,在82K处发生从立方到四方的结构相变,并伴随着易磁化方向的旋转。我们首次发现Fe2TiO4单晶在66 K处出现磁补偿现象。此外,由于易磁化轴与四方晶畴的限制,Fe2TiO4在经历ZFC与FC过程后的磁滞回线以及磁致伸缩曲线均有显著差异。且在FC过程中,Fe2TiO4单晶展现出显著的负热膨胀效应。当B位Mn2+与Ti4+随机无序占位时,反尖晶石Mn2TiO4为立方结构;而当B位Mn2+与Ti4+交替有序占位时,反尖晶石Mn2TiO4为四方结构。研究发现,B位Mn2+与Ti4+的有序占位对材料的磁结构没有明显的影响,但可以显著降低铁磁共振线宽与基尔伯特阻尼。Fe2VO4单晶在～460 K处发生共线亚铁磁有序相变,并在～46 K处出现易磁化轴的旋转。Co2VO4多晶在～162 K处出现亚铁线有序,并在～81.5 K处存在磁补偿行为。Mn2VO4多晶在～45 K处发生亚铁磁有序相变。通过对比分析钛、钒基反尖晶石磁结构与几何阻挫的关联发现,在低阻挫态时,反尖晶石（如Fe2VO4、Co2VO4）展现出共线亚铁磁结构（Neel有序）;在强阻挫态时,反尖晶石（如Mn2TiO4、Mn2VO4）展现出共线亚铁磁结构（YK有序）;而在中等阻挫强度时,反尖晶石（如Co2TiO4、Fe2TiO4）的磁结构则容易受到磁场扰动,而产生沿磁场方向的磁矩变化量。