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自旋流输运相关现象是现代自旋电子学的核心研究内容。得益于自旋角动量的传输不依赖电荷流动的特性,凝聚态体系中的自旋流与电流相比可以有效降低伴生的焦耳热效应和奥斯特场。因此,在未来电子技术中以自旋作为载体进行信息的传递与存储有利于突破当下半导体电子学技术发展中面临的瓶颈。另一方面,具有外延异质结构的纳米磁性薄膜是研究自旋流输运的理想平台。外延异质结构材料具有明确的晶体取向和较少的晶体缺陷,特别是在厚度为纳米尺度的磁性薄膜的研究中,与无序度高且难以控制的多晶、非晶薄膜体系相比,基于外延体系的研究更有利于基础物理机制的阐明。本论文以磁性外延纳米异质结薄膜为载体,研究了其自旋相关输运行为及其物理机制,所涉及的材料体系包括金属和绝缘体,主要研究内容和结论如下:(1)研究了基于外延磁性绝缘体钆铁石榴石(Gd3Fe5O12,GdIG)的自旋霍尔磁电阻效应。GdIG的磁结构在其居里温度以下具有强烈的温度依赖性,特点是在远离其自发磁化消失的补偿温度时具有常见的线性磁结构,在补偿温度附近具有非线性磁结构。在线性磁结构温区,GdIG/Pt异质结的自旋霍尔磁电阻具有平凡的角度依赖关系,体系的自旋霍尔磁电阻主要来自Fe3+的贡献,而磁性离子Gd3+对界面混合电导贡献较小;而在非线性磁结构温区,出现了翻转的自旋霍尔磁电阻角度依赖信号,同时还出现了对温度和外磁场强度敏感的多峰磁电阻现象。GdIG/Pt体系复杂的自旋霍尔磁电阻行为可以使用非线性磁结构和多畴模型进行解释。本工作还表明电输运测量可能是研究磁性绝缘体复杂磁结构的有力手段。(2)研究了基于外延γ-Fe2O3/NiO体系的自旋霍尔磁电阻效应。γ-Fe2O3/NiO/Pt体系的转角自旋霍尔磁电阻信号随着NiO厚度的增加发生了变号,而NiO层厚度固定时其转角自旋霍尔磁电阻符号随温度变化保持不变。该结果有助于澄清处于争议中的基于多晶NiO的YIG/NiO/Pt体系自旋霍尔磁电阻的随温度降低变号行为的来源,表明反铁磁绝缘体NiO中与铁磁层交换耦合的奈尔矢量也可以受到自旋流的力矩作用从而贡献变号的自旋霍尔磁电阻。同时,结果还表明γ-Fe2O3和NiO之间的交换耦合模式随NiO厚度的变化发生了改变,当NiO层较薄时为线性耦合,而厚度变大后为垂直耦合。(3)研究了全单晶外延的Co基异质结的自旋相关输运现象。在具有垂直各向异性的PtMn/Co/Ir体系中,发现了反对称磁电阻效应,该效应来源于单晶Co层磁化翻转过程中180°磁畴壁造成的纵向反常霍尔效应。首次在具有(111)面取向的全单晶外延Pt/Co体系中利用自旋力矩-铁磁共振技术研究了 Pt的自旋霍尔效应,得到其自旋霍尔角约为0.080。与多晶体系的报道值相比单晶(111)面取向的Pt具有较大的自旋霍尔角,显示单晶材料在自旋霍尔效应研究中的潜在优势,同时也暗示自旋霍尔角可能具有晶体取向依赖性。