人工反铁磁是由两层铁磁薄膜中间插入一层非磁隔离层组成的三明治结构,具有磁结构稳定、耦合强度可调、热稳定性好等优点,被广泛应用于自旋电子学器件,特别是在磁读出头等商业化产品中得到实际应用。近年来,随着自旋轨道力矩（Spin-orbit torque,SOT）效应的发现和深入研究,人们已经实现基于SOT效应诱导的磁化翻转,且临界翻转电流密度相对较低。基于SOT效应的自旋电子学器件还具有磁序易调控、信息非易失等优点,成为下一代信息存储和处理器的有力竞争者。因此,科研工作者致力于探索SOT效应的物理机制,提升SOT效率,并设计新的基于SOT效应的自旋电子学器件。在SOT器件的研究中,有研究者引入人工反铁磁结构,实现了SOT诱导的磁化翻转行为。然而,目前关于人工反铁磁结构的SOT器件研究都忽略了顶部磁性层中SOT效应的贡献。另外,关于人工反铁磁中SOT效率和热电效应的研究也鲜有报道。可见,基于人工反铁磁结构的SOT器件有待进一步深入系统研究,其物理机制有待进一步完善,更多新颖的器件有待开发。本论文以人工反铁磁结构为主要研究对象,探究其顶部磁性层中的SOT效应对人工反铁磁结构磁化翻转行为的影响,分离SOT效应和热电效应的贡献,同时研究反铁磁交换耦合作用对SOT效率的影响。论文还基于人工反铁磁结构的SOT效应设计新的器件结构,在单个器件中同时实现多态存储和逻辑运算功能,从而有望突破冯诺依曼架构的瓶颈,同时从物理层面直接模拟人脑神经元的功能,进而助力人工智能的发展。论文的主要研究内容包括:（1）人工反铁磁结构中SOT诱导的磁化翻转行为的研究。首先利用Ta缓冲层显著增强了样品的反铁磁交换耦合作用。随后通过系统改变Ru层和顶部磁性层的厚度,揭示这两个因素对人工反铁磁结构的垂直磁各向异性和磁化翻转曲线手性的影响规律,进而证明顶部磁性层中的SOT效应对人工反铁磁结构磁化翻转行为有重要的影响,且该影响是源于底部和顶部磁性层相反的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用。通过进一步结构优化,在人工反铁磁结构中实现了零磁场下SOT诱导的磁化翻转。分析表明,层间交换耦合作用导致了磁矩倾斜,由此产生的面内等效场将破坏结构的反演对称性,从而实现零场下的磁化翻转。（2）人工反铁磁结构中SOT效应物理机制的研究,以及SOT效应和热电效应对霍尔电阻贡献的分离。首先,通过谐波霍尔电阻测试的方法,在较大外磁场下观测到显著增强的二次谐波霍尔电阻信号,这是由于反铁磁交换耦合场抵消了部分外磁场所致。由于人工反铁磁结构中磁矩的排列方式由外磁场和反铁磁交换耦合场的竞争关系决定,我们对传统的谐波霍尔电阻公式做了修正,从而完美拟合了实验测试结果,并进一步分离出SOT效应和热电效应对谐波霍尔电阻的贡献。研究发现,对于具有反铁磁交换耦合作用的人工反铁磁样品,其有效自旋霍尔角远大于传统的非磁/铁磁双层膜,比铁磁交换耦合样品的有效自旋霍尔角大近7倍。对热电效应的研究揭示了该效应和磁矩排列方式的关系。在具有反铁磁交换耦合作用的人工反铁磁样品中,其SOT有效场和热电效应在反平行排列状态时的数值均大于平行排列状态时的数值。（3）基于人工反铁磁结构的存算一体型自旋电子器件的研究。首先,基于Pt/Co双层膜和Al2O3隔离层设计了多层膜结构,通过调节Co层和Pt层的厚度,分别在反常霍尔效应和SOT效应的霍尔电阻测试中实现多电阻态,并分析了界面效应和体效应对反常霍尔电压的影响。基于多电阻态现象,我们提出一种多态存储的方案,从而实现基于单个器件的多态存储和类脑神经网络计算双重功能。同时,对于该霍尔器件,通过改变预设电流和外加磁场可以实现对初始磁化状态的调节,从而在单个器件中实现包括NOR、OR、AND、NAND和NOT的五种布尔逻辑运算。最后,将人工反铁磁结构引入该多层膜,在单个霍尔巴器件中实现可由磁场控制的信息加密存储功能,证明人工反铁磁结构在未来存算一体型自旋电子器件领域有着广阔的应用前景。