现如今,数据的爆炸式增长对数据存储技术提出了更高的要求。如何实现高效、稳定、低功耗以及非易失性的数据存储俨然成为了科学家们研究的热点之一。与传统的数据存储器相比,基于自旋轨道矩的磁性随机存储器(SOT-MRAM)凭借其较低的功耗、较高的存储密度、以及高效稳定的存储等优势在众多存储器中脱颖而出,成为了新一代磁性随机存储器的最佳候选者。对于SOT-MRAM而言,其信息写入是在具有垂直磁各向异性的重金属/铁磁层异质结中,利用重金属较强的自旋轨道相互作用,通过体的自旋霍尔效应(SHE)或者界面的Rashba效应,将电荷流转换为纯的自旋流注入到铁磁层,从而对磁矩或者磁畴壁施加自旋轨道力矩的作用,驱动磁矩翻转或者磁畴壁运动来实现的。与此同时,热稳定性作为SOT器件的重要参数之一,直接关系到数据存储的稳定性和有效性而被广泛研究。因此,如何实现高热稳定性的同时还拥有较高的自旋轨道矩效率,以及如何实现高效、可控的磁畴壁运动,俨然成为了目前自旋电子学研究的重点。围绕着这几个问题,我们利用磁控溅射技术制备了具有垂直磁各向异性的重金属/铁磁层异质结,通过电输运测量、磁光克尔显微镜等方法,对其自旋轨道矩驱动磁矩翻转和磁畴壁运动进行探究,主要得到以下创新成果:(1)利用自旋霍尔角符号相反的5d重金属Pt和3d过渡系金属Cr,成功制备了具有垂直磁各向异性的Pt/Co/Cr异质结构,系统地研究了垂直磁各向异性(PMA)和自旋轨道矩(SOTs)随Cr厚度的变化关系。首先,我们发现该体系的垂直磁各向异性场高达10 kOe,与其他Pt/Co基三层膜结构相比,该数值是迄今为止最大的。同时我们也揭示出如此强的垂直磁各向异性是由于Co和Cr之间较强的交换耦合作用导致的。接下来,我们在该体系中实现了较低临界电流密度(10~6 A/cm~2)的磁矩翻转,这归因于Pt和Cr具有相反符号的自旋霍尔角,使得该体系的自旋轨道矩得以增强,从而提高了翻转效率。此外,我们还利用谐波电压测试的方法定量地获取了该体系有效的自旋霍尔角为0.15~0.27。最后,我们发现该体系样品有效的自旋霍尔角与其纵向电阻率的平方成正比,揭示出该体系的自旋霍尔效应来自于本征的贡献。(2)通过磁光克尔显微镜,系统地研究了Pt/Co/Cr体系中磁畴壁在外磁场、自旋轨道矩作用下的运动规律。研究表明:在Dzyaloshinskii-Moriya相互作用下,该体系的磁畴壁结构属于左手性的Néel态磁畴壁;阐述了焦耳热对翻转场、磁畴壁运动的传播场以及磁畴壁运动速度的影响。其次,通过自旋轨道矩驱动磁畴壁的运动,在该体系中实现了无任何外场辅助下的磁矩翻转。最后利用手性磁畴壁在自旋轨道矩驱动下的运动规律,设计并实现了“与”、“或”、“非”、“与非”和“或非”五个布尔逻辑门,这对自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的实际应用具有重要意义。(3)利用Cr嵌入层对具有垂直磁各向异性的Pt/Co/Ta异质结进行界面修饰,成功制备了具有垂直磁各向异性的Pt/Co/Cr/Ta异质结。研究了界面修饰与垂直磁各向异性、自旋轨道矩、畴壁运动以及热稳定性的关系。实验表明:界面修饰前后,有效的垂直磁各向异性场从~6000 Oe增加到了~11500 Oe;系统有效的自旋霍尔角也从0.37增加到了0.41。这揭示了Cr的嵌入对体系的垂直磁各向异性和自旋轨道矩都有明显的增强,从而实现了更低电流密度的磁矩翻转。此外,磁场、自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的研究结果表明:Cr的嵌入虽然增强了系统的自旋轨道矩效率,但也提高了体系能量势垒,使得畴壁运动速度减小。该结果对深入理解自旋轨道矩驱动磁畴壁运动的内在物理机制具有参考意义。(4)利用楔形的MgO超薄嵌入层,对具有垂直磁各向异性Ta/CoFeB/MgO异质结的Ta/CoFeB界面进行修饰,实现了无任何外磁场辅助下自旋轨道矩驱动的磁矩翻转(零场翻转)。并揭示出该零场翻转是由界面的Rashba效应诱导的面外有效磁场主导的。此外,该有效磁场的方向和大小与Ta/CoFeB界面的含氧量具有很强的依赖关系。这对深入理解Rashba效应诱导的磁矩翻转具有指导价值。