磁电阻效应是磁结构单体最重要的物理效应之一。近三十年来,对磁电阻效应的不断研究和应用不仅诞生了与电子自旋相关的自旋电子学理论,同时也促进了磁电子学器件的快速发展,形成了今天规模庞大的高科技产业。随着半导体加工工艺技术的不断提高,磁电子学器件的基本结构单元已达到纳米量级,尺度开始明显影响其各方面的物理性质。全面、精确地掌握低维磁结构单体的磁电物理特性是非常重要和必要的,有利于进一步推动自旋电子学器件的应用和发展。在本论文中,为了精确研究纳米磁结构单体的磁电阻特性,我们设计和制造了电镜原位磁输运测量仪,并利用该仪器对单根CoCu/Cu多层纳米线的磁电特性进行了原位测试,获得了它的基本磁电特性物理参数和直观、清晰的磁电输运物理图像。本论文的主要研究成果概括如下:(1)首次设计、制造了扫描电镜原位磁输运测量仪,并对其技术性能进行了全面测试,获得如下技术指标:核心部件纳米操纵器3维空间x、y和z方向最大运动范围分别为2.5 cm、2 cm和1 cm,最小的运动精度达到1.80 nm;磁化样品台的磁场和样品间夹角能在360度平面内任意旋转,旋转角度最低精度为0.003°;磁化样品台产生的最大磁场为1800 Oe,其漏磁对扫描电镜成像系统仅产生轻微的干扰,可以在微调范围内通过像散(astigmatism)棱镜进行矫正;系统总装测试显示能实现纳米单体或器件单元的实时、动态、图像化测量,初步实现了预期设计目标。(2)通过电化学沉积法在AAO模板中生长了CoCu/Cu多层纳米线,通过电子显微镜对其形貌、化学组分和微结构进行了系统的表征和分析。结果显示,多层纳米线平均直径为55 nm,长度为40?50?m,具有周期性的竹节状结构,其中CoCu磁性层和Cu非磁性层的厚度分别为124 nm和14 nm。借助电子衍射和高分辨成像技术,测量得到Cu层和CoCu层均为多晶的面心立方结构,Cu层和CoCu层部分晶粒沿{111}面出现相互堆积,在它们的界面处形成了孪晶。通过球差电镜中装配的ELLS配件对CoCu层的高分辨像进行元素分布的分析,得到CoCu层是由12 nm Co微晶和5 nm Cu微晶组成。理论模拟计算揭示CoCu磁性层中单位体积下Co和Cu粒子的浓度分别是57.27%和26.12%。这些形貌和微结构的研究为随后的磁电特性研究提供了基本的几何与晶体学参数。(3)利用扫描电镜原位磁输运测量仪精确地测量了单根Co81Cu19/Cu多层纳米线的电学性质。测得Co81Cu19/Cu多层纳米线、Cu纳米线和CoCu纳米线的电阻率分别是3.41×10-7Ω?m、3.51×10-8Ω?m和1.19×10-7Ω?m。Mayadas and Shatzkes(MS)模型被用来修正得到本征的Co81Cu19/Cu多层纳米线电阻率。进一步结合串联电阻模型拟合分析,单根多层纳米线内部电阻分布物理图像被揭示,同时计算出CoCu层和Cu层之间的界面层电阻率为2.17×10-6Ω?m。电镜原位最大电流密度测试结果显示,单根Co81Cu19/Cu多层纳米线仅为1.01×1011 A?m-2,明显小于单质Cu和合金CoCu单根纳米线的最大电流密度。根本的物理原因在于多层纳米线中界面层对传导电子产生了强烈的散射作用,从而在界面层出产生大量的焦耳热引起多层纳米线失效。本章工作不仅为CoCu/Cu多层纳米线的应用得到了基本的电学参数,同时提供了清晰的物理图像来理解一维多层纳米线的电学输运性质。(4)利用磁输运测量仪在扫描电镜中对Co81Cu19/Cu多层纳米线的磁电阻性质进行了实时、动态化测量,结果显示单根Co81Cu19/Cu多层纳米线的磁阻效应为0.84%。通过磁阻颗粒模型拟合得到Co81Cu19/Cu多层纳米线的磁阻效应理论值为0.89%。二者在误差范围内完全一致,证明了我们自主研发的磁输运测量仪可以准确、可靠地对磁性纳米材料或纳米器件的电学、磁学性质进行表征。(5)为了扩展原位低维磁结构材料单体的的磁电性质,我们应用高温液相法制备了石墨烯与四氧化三铁二维复合材料。通过电子显微镜对其形貌和微结构进行系统的表征和分析。结果显示,四氧化三铁粒子能够很好地附着在石墨烯上,化学性质稳定四氧化三铁粒子的分散度可以通过改变反应物浓度来有效地进行控制。