Sr2IrO4是近年来非常热门的一类新型量子功能材料,引起了科研人员的极大兴趣。由于具有强自旋轨道耦合作用,Sr2IrO4被预言具有一系列新颖的物理性质,如超导、半金属和量子反常霍尔等。但迄今为止,大部分理论预言只得到非常有限的实验验证。本文的研究工作主要围绕Sr2IrO4薄膜的高质量生长、Sr2IrO4超晶格的物理性质和Sr2IrO4原型器件三个部分来叙述。第一部分是生长高质量Sr2IrO4单晶外延薄膜:系统地研究了脉冲激光沉积技术生长该薄膜所需要的最优生长温度、氧气分压和衬底种类等。第二部分是获得高质量薄膜的基础上,制备Sr2IrO4超晶格并研究其可能存在的奇异物性。第三部分是在研究物性的基础上,尝试制备Sr2IrO4原型器件并探索其潜在的应用前景,包括:模拟人脑神经突触和反铁磁自旋电子学相关应用。第一章对本文的研究背景进行了综述,包括:(1)Sr2IrO4的基础物理性质,包括强自旋轨道耦合作用、Sr2IrO4的晶体结构、Sr2IrO4的电学性质和磁学性质部分;(2)Sr2IrO4薄膜材料的生长、应力调控和铱酸盐超晶格的研究现状、重要性和难点;(3)Sr2IrO4新型功能器件研究,包括类神经突触器件和反铁磁自旋电子学器件;(5)简要介绍博士期间的四个主要研究工作。第二章主要介绍了 Sr2IrO4单晶薄膜的制备技术和表征手段的原理、使用条件和测试方法等:1、配备反射式高能电子衍射仪的脉冲激光沉积设备;2、薄膜晶体结构和表面形貌的表征方法,如X射线衍射仪、原子力显微镜等;3、薄膜物理性质测量仪器和方法,如应用物性综合测量系统测量薄膜电阻、载流子类型等;4、测量薄膜电子结构和微观磁结构的先进同步辐射测试技术,如X射线光电子能谱、X射线吸收谱和中子反射技术等。第三章中,我们使用配备了辅助反射高能电子衍射仪的脉冲激光沉积系统生长了大量的薄膜。用高分辨X射线衍射、X射线反射技术和原子力显微镜来表征薄膜的晶体结构、厚度和表面形貌。测试结果表明我们确实生长出了高质量Sr2IrO4薄膜,并且导电能衬底能有效降低Sr2IrO4单晶薄膜的生长温度。这一章对高质量的铱酸盐单晶薄膜生长具有重要的借鉴意义,也为进一步研究Sr2IrO4薄膜新颖的量子效应打下了坚实的基础。第四章中,我们介绍了人工突触器件对于开发高可靠性、高智能的神经形态信息器件和存储器件的重要意义。原型器件这章要分为两个部分:第一部分我们利用Sr2IrO4和大带隙的铁电体钛酸钡,开发出了一种外延异质结构。该原型器件具有短期可塑性、长期可塑性和脉冲时序相关可塑性等多种突触功能,表明Sr2IrO4双层膜是一种新型、可靠和高性能的模拟人脑神经系统的人工突触原型器件。第二部分是我们制备了(Sr2IrO4)4/(La2/Sr1/3MnO3)5超晶格反铁磁电子学原型器件。与单一薄膜或异质结相比,该器件具有明显增强的各向异性磁电阻和非易失性记忆效应,将有利于Sr2IrO4薄膜在反铁磁自旋电子学领域的应用。第五章是Sr2IrO4超晶格的物理特性研究。我们采用脉冲激光沉积法制备了一系列Sr2IrO4和Sr3Ru2O7超晶格。电输运和磁性测量的结果表明超晶格的载流子类型和磁电阻等随着温度或超晶格周期N改变,并且我们发现该超晶格具有奇异的低温反常电荷区域。第六章是博士在读期间的实验工作总结、创新点总结以及关于Sr2IrO4薄膜未来工作的展望。