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利用电学方法调控磁性薄膜的磁化状态拥有巨大的潜在应用价值，是当今自旋电子学中的一个有活力的研究方向。在这之中，具有垂直各向异性的磁性异质结构以其在电流导致的磁化翻转方面的重要研究价值，得到了研究者广泛的关注。本文针对三种具有垂直各向异性的磁性异质结构:MnAl/MgO/MnAl磁性隧道结、Pt/Co/MgO和Ta/CoFeB/MgO，研究了其中的垂直各向异性、自旋力矩对磁化翻转的影响以及在自旋逻辑方面的可能应用，具体的工作介绍如下: (1)利用第一性原理计算方法研究了MnAl/MgO/MnAl磁性隧道结中的垂直各向异性和磁电输运性质。结果表明，Al终端结构具有更高的垂直各向异性，界面Mn-O的形成不利于垂直各向异性的提升。在两种终端结构的隧道结中均得到了巨大的隧穿磁电阻比，并且该隧道结具有很好的偏压耐受能力。由于较大的净余自旋流，隧道结面内自旋转移力矩随外加偏压的增加而线性增加。 (2)简要介绍了宏自旋模型在电流导致的磁化翻转方面的应用。在宏自旋框架下，给出了磁矩满足的稳态方程，讨论了面内磁场在自旋轨道耦合力矩导致的磁化翻转中的重要作用，并给出了磁矩稳态解稳定性的判别方法。 (3)通过优化得到了具有垂直各向异性的Pt/Co/MgO和Ta/CoFeB/MgO磁异质结构。利用锁相技术，表征了两磁异质结构中电流携带的类场和类阻尼有效场的成分。通过引入偏置电流，研究了类场和类阻尼两类自旋轨道耦合力矩在磁化翻转方面的不同作用，并利用宏自旋模型定性的给出了与实验相符的结果。 (4)基于十字形状Hall条的器件结构，在Pt/Co/MgO磁异质结构中提出了两种自旋逻辑单元的可能实现方案。第一种方案中，两路逻辑输入电流在Hall条的同一支路，磁场加在电流支路方向;第二种方案中，两路逻辑输入电流施加在Hall条中两条相互垂直的支路上，磁场加在两支路的角分线方向。在两种方案中，均在单一逻辑单元中实现了五种逻辑功能，并且逻辑单元的功能可编程，存储在逻辑单元中的信息具有非易失性。