自旋电子学(spintronics)是基于自旋的电子学的简称,又称磁电子学,主要研究电子自旋在下一代电子器件中所扮演的角色。近年来,纯自旋流引起人们的广泛关注,它在传播过程中没有净的电荷流或者杂散场,因此能够以很小的能量耗散传播信息。相比于传统的基于电荷属性的器件,基于纯自旋流的自旋电子学器件,具有存储不易失、处理速度更快、功耗更低、集成度更高等优点。为了能够将纯自旋流与当前半导体技术结合,并应用到新型的低功率器件中,对于自旋和电荷之间相互转化的理解是非常关键的一步。自旋霍尔效应(SHE)和它的逆效应(ISHE)能够实现自旋流和电荷流的相互转化并且不依赖于磁性材料和外加磁场,对于自旋电子学器件研发具有重要意义。其中自旋流和电荷流的相互转化可以用自旋霍尔角θSH表征,它是材料自旋霍尔电导和普通电导的比值。自旋霍尔角的测量是自旋电子学研究的一个重要课题。通常θSH的测量还混合着另外一个重要的参数—自旋扩散长度λsd。自旋扩散长度描述的是自旋流在传播过程中的衰减行为。θS和λsd都可以通过非局域的磁输运(nonlocal magneto-transport)测量,自旋力矩-铁磁共振(ST-FMR)的方法或者基于铁磁共振(FMR)的自旋泵浦效应(spin pumping)-逆自旋霍尔效应结合的方法测量得到。然而,实验上不同课题组、不同方法测得的θSH和λsd存在的巨大的争议,以Pt为例,,λsd值从0.5-14nm均有报道,θSH也有一个量级的变化。造成这种差异的原因:一方面是不同测量方法的局限性,比如第一种方法由于缺少对界面的表征,实验中很难估算注入材料中纯自旋流的准确值,第二种方法的测量过程中经常会伴随由各向异性磁电阻(AMR)以及微波电流注入所引起的噪音,而第三种方法能够通过特殊的样品设计以及测量角度排除杂散信号,另外产生的纯自旋流的大小也可以通过额外的铁磁共振测量得到;另一方面是由于以往的实验、理论对铁磁(FM)/非磁(NM)双层膜体系描述的不完善,尤其是对界面的表征,最近有实验和理论指出,在铁磁/非磁双层膜界面处会存在界面自旋损失,实际测量中自旋流在界面处有一定的损耗,从而对自旋霍尔角的估算产生很大的影响。在本论文中我们使用的是自旋泵浦结合逆自旋霍尔效应的方法研究过渡金属的逆自旋霍尔效应,找到了测量θSH和λλsd的合适的方法。通过分别改变铁磁和非磁厚度的测量,系统地研究了一系列的FM/NM双层结构中自旋泵浦导致的逆自旋霍尔效应,其中FM分别是Co,Py和Co50Fe50,NM是Pt和Pd。以面外微波磁场激发的方式,在特殊的测量角度下我们排除了各向异性磁电阻导致的自旋整流效应的影响,获得了纯净的ISHE电压。我们发现当固定非磁层的厚度而改变铁磁层厚度时,测量的ISHE电压按照进动角归一化处理之后正比于非磁层的电阻而与铁磁层无关,这表明自旋泵浦-逆自旋霍尔效应实验中只需要考虑非磁层的电阻而不是双层膜的并联电阻。另外我们通过微波光电阻的测量得到了铁磁共振时面内和面外进动角的幅值,这对于准确得到自旋泵浦产生的自旋流是非常重要的。我们注意到即使在同样的微波输入功率下,进动角并非固定不变的,而是依赖于非磁金属的厚度,这强调了对于每一块样品测量进动角的重要性。在不同FM/NM体系的测量中,我们发现如果假定界面自旋注入是100%时,在不同FM/Pt组合里得到的θsH有很大差异,这表明自旋泵浦注入的自旋流在FM/NM界面上不仅会传输和反射,还会发生界面自旋损失(interfacial spin loss),损失的幅度δ与界面相关。用稍徽修正的Chen和Zhang提出的自旋泵浦理论对数据进行分析,通过对随NM层厚度变化的有效自旋混合电导和ISHE电压的拟合得到δ,我们在不同的FM/NM体系中得到了一致的自旋霍尔角和自旋扩散长度值,对 Pt 而言θsH= 0.030±0.002,Asd=8.0±0.4nm,对 Pd:θS= 0.0050 ± 0.0006,λsd = 7.7 ± 0.5 nm,并且得到的自旋扩散长度大于平均自由程,与一般的认知符合。另外,我们还研究了在GaAs(001)衬底上外延生长的Co2Fe1-xMnxAl full-Heusler薄膜中由于单轴和四度各向异性共存所导致的劈裂的磁滞回线,我们发现现有的几个模型对于它的分析有矛盾之处,并且没有被额外的实验测量所验证。在实验中,我们通过变频铁磁共振的测量,我们得到样品的单轴和四度各向异场,对比振动样品磁强计(VSM)的测量,我们找到了最适合的描述劈裂的磁滞回线的模型,解决了对于劈裂磁滞回线的分析的争议。我们可以从劈裂的磁滞回线的劈裂场和零场附近的线性斜率定量得到材料的各向异性场。同时,我们还研究了其背后的物理机制,不同分量的磁滞回线测量表明,劈裂处磁矩的翻转是由于畴壁成核以及畴壁的位移,翻转时的磁场使得易轴附近和磁场所在方向同时出现能量极小,并且三个角度能量相等。