在过去的50年,半导体微电子器件集薄膜制备和微加工技术之大成,通过持续降低器件尺寸的方式始终确保其芯片容量按照摩尔定律的预言发展。然而,器件尺度的降低并非是无限的。当器件的特征尺寸低于10 nm时,量子隧穿效应带来的高功耗问题严重阻碍了器件的小型化进程。与此同时,基于自旋相关散射的各向异性磁电阻、巨磁电阻、隧穿磁电阻等新物理效应的相继发现,硬盘驱动器（Hard disk drives,HDD）、磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory,MRAM）、高灵敏度磁传感器等新器件的深入开发研究,快速发展的超晶格制备和微纳加工技术,以及人们对强关联电子体系中新奇物理效应的深入理解,共同促进了新兴学科—自旋电子学的快速发展。与传统的半导体微电子学不同,自旋电子学还兼顾了电子的自旋属性,利用自旋输运过程中与局域磁矩的相关作用,革新信息存储和信息处理的方式,使得自旋电子器件在低功耗、高密度信息存储与处理方面具有显著的优势。在自旋电子学的研究中,磁电阻效应因为具有磁场可调控且容易被检测的特性,被广泛用在了信息存储以及磁传感器的设计上。在1988年之前,以霍尔效应和各向异性磁电阻为代表的磁电阻效应很弱（3%～5%）,并没有得到广泛关注。1988年,法国Fert的研究小组在Fe/Cr/Fe多层膜结构中发现了室温下约为17%的磁电阻,这在当时已经远远超出了人们所熟知的其他类型磁电阻,因此被命名为巨磁电阻。随后基于巨磁电阻效应的自旋阀（Spin Valves）很快用在了硬盘的磁头上,市场规模在当时已经达到每年数百万美元的量级。在此之后,以AlOx和MgO为中间隧穿层的磁隧道结,进一步提高了磁电阻比值（目前室温下已经高达604%）,目前已被广泛应用于磁随机存储器、磁传感器以及磁读头中。近年来,人们在研究非磁半导体中的输运性质时,发现了由空间电荷不均匀性或者其它机制引起的异常超大磁电阻效应。例如,在载流子浓度较低的n型或者p型半导体中,磁场通过抑制杂质碰撞电离可获得比值高达10000%的超大磁电阻。与磁性材料中自旋相关的磁电阻不同,非磁材料的磁电阻信号没有磁滞特征,且器件电阻与磁场呈线性增强关系,因此有望应用在高灵敏度的磁传感器上。同时人们也在积极探索利用纯电压或者电流的方式来调控磁电阻的大小甚至磁电阻的符号。例如,借助于铁电材料的逆压电效应,人们已经在磁隧道结/铁电衬底异质结中实现了纯电压对隧穿磁电阻比值的调控。总之,在磁性材料以及非磁性材料体系中寻找新的磁电阻效应,并探索新的磁电阻调控机制有助于新型多功能自旋电子器件的研发。除了磁电阻效应,自旋电子学领域中另外一个重要的研究方向是如何有效控制磁化强度的翻转。在自旋存储器件中,二进制信号中的“0”和“1”状态通常对应于磁电阻效应中的高、低电阻态,而“0”和“1”之间的转换则由磁化强度的翻转完成。目前,基于自旋角动量转移的自旋转移力矩以及自旋轨道矩效应控制磁化翻转受到了广泛关注。虽然这些新型的翻转方式有望摆脱对外磁场的依赖,提高器件的集成度,但是目前,电荷流转化成自旋流的效率较低,导致自旋轨道矩翻转磁化强度需要相对较高的电流密度（1 06～107A/cm2）。一种可行的方法是利用电压/电场辅助自旋力矩的方式来降低翻转电流密度。实验上已经证明,利用电场调控磁隧道结中磁性层的磁各向异性可以显著的降低自旋轨道矩的翻转电流密度,改进磁隧道结的写入效率。目前为止,基于电压/电场调控应力、载流子密度、交换耦合、轨道重构以及电化学效应等机制,电调控磁性的研究已经涉及到了铁磁半导体、钙钛矿氧化物、铁磁金属、甚至二维材料体系中的磁各向异性、磁有序转变温度、磁化翻转、磁电阻、交换偏置等物理特性的调控。综上所述,磁电阻效应与磁性的翻转一直是自旋电子学的研究热点。本论文围绕异质结界面整流磁电阻效应以及垂直磁各向异性的电调控,开展了以下三个方面的工作:一、Al/Ge/In肖特基异质结中整流磁电阻效应的电调控实验上已经在Al/Ge/In肖特基异质结上观测到了由整流效应与磁电阻效应共同导致的整流磁电阻效应。在此基础上,我们通过叠加直流的分量（组成直流与交流的混合电流）,实现了对整流电压以及整流磁电阻的调控（-530%到32500%）。该效应的产生来自于磁场以及整流效应的共同调控:一方面磁场通过降低电子波函数的重叠,使得杂质态能带宽度变窄,能量升高,载流子密度降低,导致电阻变大;另一方面改变直流和交流分量的比例可以使复合的交流波形上下移动,影响整流电压的大小。基于以上两种因素的共同作用,通过调整输入的交流、直流幅值,最终实现对整流磁电阻的大幅度调控。此外,我们还研究了整流磁电阻的各向异性。利用交流和直流调控磁电阻的方法同样适用于类似的具有非对称性势垒的异质结或磁隧道结,为实验上电调控器件的磁电阻效应提供了一种全新的方法。二、磁肖特基异质结中界面磁电阻与体材料磁电阻的分离磁肖特基异质结界面处电子的散射机制很难通过常规的直流磁电阻来测量。这里我们利用整流磁电阻对界面敏感的特性,实现了磁肖特基异质结中界面磁电阻与体磁电阻的分离。首先,制备了 In/GeOx/n-Ge的非磁肖特基异质结,通过对比该异质结在肖特基接触以及欧姆接触下的整流磁电阻信号,证明了整流磁电阻对肖特基异质结界面敏感的特性。随后,我们在制备的Co/GeOx/n-Ge的磁肖特基异质结中,分别测量了 100 K下的直流磁电阻以及整流磁电阻。直流磁电阻曲线在低场下存在着类似“蝴蝶”状的磁滞信号,说明异质结界面可能存在着自旋相关散射。然而,整流磁电阻曲线并没有测量到磁滞现象,说明自旋相关散射不是来自于异质结界面。进一步测量铁磁层Co的各向异性磁电阻,发现其中的磁滞特征信号以及矫顽场的大小与直流磁电阻曲线相符,证明直流磁电阻曲线中的磁滞现象来自于铁磁层本身的各向异性磁电阻信号,而不是由界面的自旋积聚以及界面自旋相关散射造成的。我们的研究证明:对界面敏感的整流磁电阻效应可以有效分离整流器件中界面磁电阻与体磁电阻对输运的贡献,有助于加深我们对界面自旋输运性质的理解,为研究与界面自旋输运相关的自旋电子学器件提供了有力的保障。三、电场调控垂直磁各向异性以及自旋轨道矩引起的磁化翻转利用磁控溅射和微加工技术制备了核心结构为Pt/Co/CoO/Oxide/Pt的异质结。在该结构中:一方面,Co/CoO界面的垂直交换耦合作用能有效增强Co层的垂直磁各向异性;另一方面,在上下Pt电极施加电压,可以驱动氧离子在Co/CoO界面迁移,进而导致界面交换耦合强度以及Co层磁各向异性的可逆调控。当外加负电场时,氧离子扩散进Co层,导致CoO层厚度的增加,Co层有效厚度减小,从而增强了界面的交换耦合强度和Co层的垂直磁各向异性。相反,外加正电场时,CoO层有效厚度的降低以及Co层厚度的增加减弱了界面垂直耦合强度,导致Co层的磁各向异性从面外转至面内。此外,当下层Pt通入电流时由于自旋霍尔效应会产生垂直膜面方向传播的自旋流。在沿电流方向施加一个辅助磁场后,上述自旋流能诱导Co层垂直磁矩的翻转。通过结合电场调控Co层的垂直磁各向异性,我们在Pt/Co/CoO/Oxide/Pt异质结中实现了电场打开或者关闭自旋轨道矩诱导磁化翻转的功能。我们的实验表明:在重金属/铁磁/反铁磁氧化物异质结中,电场能有效控制铁磁层磁各向异性以及自旋轨道矩引起的磁化翻转,为实现低功耗、高密度、多场可调控的自旋电子器件提供了新的途径。