自旋转移矩效应(spin transfer torque，STT)被认为是继巨磁电阻效应(GMR)之后，自旋电子学领域的又一重大发现。利用自旋转移矩效应，可以实现无外加磁场下控制磁性材料的磁化方向翻转，广泛应用于三层结构磁性随机存储器。近年来，在重金属/铁磁双层结构中证实利用自旋霍尔效应（spin Hall effect，SHE）产生自旋电流也可以有效诱导磁化方向翻转。基于自旋霍尔效应制备的双层器件，具备更加简单的结构，有望利用于下一代磁性随机存储器（MRAM）设计，从而进一步提升存储密度。但是，当前这种方法通常需要外加磁场辅助才能实现磁化的定向翻转。本论文从实验和理论上系统研究了利用外加非均匀场（电场和热梯度场）改变自旋霍尔效应中自旋轨道耦合(spin-orbit coupling，SOC)作用，控制自旋转移矩，实现无外加磁场下对磁化定向翻转的作用。主要结果如下:　　（一）电场控制铁电衬底表面磁性多层膜磁化定向翻转的研究　　这一部分从实验和理论上研究了无外加磁场下电场对铁电材料PMN-PT衬底表面的Pt/CoNiCo/Pt多层膜结构器件的磁化定向翻转控制，并优化了器件结构设计、提出了构建逻辑单元和阵列结构的方案。　　(1)首先研究了电场对铁电材料PMN-PT衬底表面Pt/CoNiCo/Pt铁磁多层膜器件中电流诱导磁化翻转的影响。基于在铁电材料PMN-PT表面磁控溅射高质量的磁垂直各向异性的CoNiCo多层薄膜，通过微纳加工工艺将铁磁薄膜制备成霍尔器件。通过反常霍尔效应电学测试监控器件的磁性变化，我们发现在衬底沿着电流方向施加外加极化电场，可以实现无外加磁场下电流驱动磁化定向翻转。　　(2)为了解释电场调控电流诱导磁化定向翻转的实验现象，分析了外加电场在PMN-PT衬底和底层金属Pt层界面处形成的垂直电场梯度。结合自旋轨道耦合效应，从理论上分析了垂直电场梯度导致底层Pt中自旋电流密度的梯度。该自旋电流密度梯度产生新的力矩，导致了磁化定向翻转的方向。同时，从宏观磁学分析和微磁学模拟两个角度，分别验证了自旋电流密度梯度对电流驱动磁化定向翻转的作用，与实验结果相符。　　(3)基于电场对磁化定向翻转的结果，进一步优化器件结构设计。我们制备缩短极化电极间距的器件，减小器件尺寸、降低极化电压，也实现了电压控制磁化定向翻转。并且，验证了铁电衬底整体均匀极化和表面部分极化的两种方式都能实现电场对电流诱导的磁化定向翻转的稳定控制。该结构的器件兼容当前的工艺，为实现小尺寸、稳定控制的器件提供了实验和理论上的可行性。此外，提出了磁随机存储器的结构单元和存储阵列的构思方案，以实现更高的存储密度。　　（二）热梯度场对硅片衬底表面磁性多层膜结构磁化翻转的影响　　这一部分主要研究温度（热梯度）对硅片衬底Pt/CoNiCo/Pt磁性多层膜磁化定向翻转的影响。　　我们设计制备了电加热模式的器件，有效地在器件中加热并构建温度梯度。在温度梯度的影响下，也实现了无外加磁场下电流诱导的磁化定向翻转。进一步分析了温度梯度作用机制，结合非均匀自旋流的作用理论，定性分析了温度梯度影响重金属Pt层自旋霍尔角、磁性层的磁化强度和临界翻转电流密度对磁化翻转的影响。在热梯度场下，三种因素并存，共同作用于磁化翻转过程。