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巨磁电阻自旋阀和磁性隧道结多层膜近年来一直是国际上关注和研究的热点。铁磁/反铁磁交换偏置结构是这两类材料中控制自旋取向的核心单元，而反铁磁Ir-Mn合金是目前广泛使用于交换偏置体系的主流钉扎材料之一。本论文制备了以Ir-Mn做为反铁磁钉扎层的面内磁化与垂直磁化自旋阀，系统研究了它们的交换偏置和自旋相关输运特性，并取得重要进展，具体如下：
制备了底部钉扎的面内易磁化自旋阀，研究了反铁磁Ir-Mn层成分对交换偏置和巨磁电阻(GMR)性能的影响。发现Mn原子含量显著影响自旋阀体系的热稳定性，当Mn含量较低(58.9-72.4％)的时候，在钉扎铁磁层中插入的纳米氧化层(NOL)能有效抑制Mn原子热扩散，即使经过300℃退火，磁电阻值仍能保持在12.5％以上，在这一成分范围内，自旋阀体系具有最好的热稳定性。另外，发现不同于顶部钉扎的NiFe构成的自旋阀，当Ir-Mn从底部钉扎CoFe时，Mn原子含量在72％时钉扎场最大。研究结果确立了底钉扎NOL自旋阀的钉扎性能和巨磁电阻效应对Ir-Mn层成分的依赖关系，表明Ir-Mn最佳成分并不是以往的顶部钉扎NiFe/Ir-Mn结构中Mn原子含量在80％，而是Mn原子含量在72％(或略低于72％)，在这一成分下自旋阀体系具有最好的钉扎性能和最高的热稳定性。
研究了IrMn/[Co/Pt]和IrMn/CoFe/[Co/Pt]多层膜的垂直磁各向异性与垂直交换偏置特性。发现对于底部钉扎的IrMn/[Co/Pt]多层膜，采用Ta/Pt结构作为种子层比较容易诱导出强的Ir-Mn(111)和Pt(111)生长取向，从而有利于获得大的垂直交换偏置和垂直磁各向异性。将与IrMn相邻的Co用6～8 A的C060Fe40加以替换，垂直钉扎性能获得极大增强，同时体系仍然能够保持有效的垂直磁各向异性，并且矫顽力变化不大。和以往报导的钉扎性能最好的室温垂直体系相比，这种IrMn/CoFe/[Pt/Co]体系的交换各向异性能增加了一倍以上，在3000e的外磁场范围内实现了稳定的单一磁化状态。研究结果表明，垂直交换偏置强烈依赖于铁磁/反铁磁界面的铁磁层成分，通过对界面铁磁层进行成分调制可以显著提高垂直钉扎性能，这一方法也适用于其它的垂直交换偏置体系。
各向异性磁电阻(AMR)是一类重要的磁电阻效应，由于自旋一轨道相关的散射所致，它曾经对硬盘读出磁头技术产生了深远影响，至今仍大量应用于磁带机读出磁头和各种高灵敏度的磁性传感器。研究了Ta/ Ni81Fe19/Ta薄膜的各向异性磁电阻效应和磁性能，在Ta和Ni81Fe19之间引入Pt插层，利用Pt的强自旋.轨道相互作用显著增强了Ni81Fe19薄膜的AMR效应；同时还发现Pt插层能够有效抑制薄膜生长过程和高温处理中Ta层和Ni81Fe19层之间的相互扩散，提高AMR体系的热稳定性。研究提供了一种简单的通过界面插层来提高AMR效应及其热稳定性的方法，有利于促进AMR薄膜体系在磁性传感器等领域的应用。