反铁磁自旋电子学,简单来说就是自旋电子学在反铁磁材料中的应用,这一研究方向越来越受到人们的重视,并且已经有很多新奇的自旋电子学相关现象陆续在反铁磁材料中被发现。Cr2O3是最早被研究的一种磁电耦合材料,而它同时也是一种G型反铁磁材料,其奈尔温度为307K,略高于室温。虽然迄今为止关于Cr2O3在自旋电子学领域的尝试还凤毛麟角,但是其独特的反铁磁结构特征值得人们进行相关的探索和深入的研究。本论文通过脉冲激光沉积的生长方式制备了外延的Cr2O3薄膜,在此基础上我们将其与非磁性重金属结合,探究自旋霍尔磁电阻的信号产生机制,并与反常霍尔效应做对比,研究两者之间的内在联系。最后,我们构筑了Cr2O3基垂直磁各向异性体系,研究了不同磁结构下的Cr2O3对于自旋轨道力矩的影响,并且成功实现了在无外磁场辅助下的自旋轨道力矩翻转磁性薄膜的磁化方向。本论文的主要研究内容包括:(1)采用脉冲激光沉积的方式外延生长了(0001)取向的Cr2O3薄膜,并通过结构和磁性表征证实了Cr2O3的反铁磁性。此外,我们制备了Cr2O3/W异质结,通过电学测试得到了 0.1%的磁电阻比值,并且根据转角磁电阻的信号特征,排除了各向异性磁电阻的影响,证实了自旋霍尔磁电阻在Cr2O3/W体系中的存在。最后,通过对比不同质量的Cr2O3薄膜,研究了界面质量对于自旋霍尔磁电阻效应的影响规律。(2)利用脉冲激光沉积和磁控溅射制备了外延的Cr2O3/Ta异质结,观察了体系的自旋霍尔磁电阻和反常霍尔效应。通过对比两种效应随温度的变化趋势,根据二者各自的产生机理,我们认为反常霍尔效应在界面产生的自旋积累以自旋流的形式提高了自旋霍尔磁电阻的信号。另一方面,通过改变异质结中非磁性重金属的种类,再次证明了自旋霍尔磁电阻和反常霍尔效应之间的内在联系。(3)利用TaOx缓冲层制备了非晶结构的Cr2O3,通过结构表征证实了非晶相的存在。通过构建不同结构的Cr2O3与Ta的异质结,对比研究了自旋霍尔磁电阻在两种结构中的信号区别。利用变温测试发现二者都存在不同程度的自旋霍尔磁电阻变号现象,根据对不同磁结构Cr2O3的分析,解释了自旋流在不同磁性区域内的竞争机制是导致外延Cr2O3异质结自旋霍尔磁电阻变号的原因;而在非晶Cr2O3异质结中,反铁磁耦合强度的变化和低温阻挫的出现是出现两次变号的来源。(4)采用脉冲激光沉积和磁控溅射的方法制备了Cr2O3/Pt/Co/Pt异质结,通过改变衬底Al2O3的晶体取向以及插入TaOx缓冲层的方式,得到了三种不同的Cr2O3结构。首先,利用X射线衍射测量了三种结构的晶体结构,并依此推断出Cr2O3磁矩的排布特点。然后,通过磁性和霍尔测试对比了几种结构的垂直磁各向异性,并进行了自旋轨道力矩(spin-orbit torque,SOT)的测试,发现在(1120)方向外延的Cr2O3异质结构可以在无外磁场辅助的情况下产生70%的磁矩翻转,即零场下的SOT效应。最后,利用谐波信号成功计算出了SOT的有效场以及有效自旋霍尔角的大小,讨论了零场SOT的信号来源。