信息技术的发展促使社会进入信息时代,高效节能和智能化的信息处理显得尤为重要。自旋电子学利用电子的自旋自由度,有望克服微纳电子器件功耗大、成本高的难题,能在新型器件的应用中发挥重要作用。特别是磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory,MRAM）,因为兼具非易失、读写快、低功耗等特点引起了人们的广泛关注。近年来,研究者们已经利用自旋轨道矩（Spin-Orbit Torque,SOT）实现了高速、低功耗的磁矩翻转,为发展超快、节能的MRAM提供了新的候选方案。同时,自旋轨道矩器件具有非易失、抗辐射、良好的耐久性和稳定性以及与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）相兼容等优点,在存算一体化、神经网络计算、微波探测、自旋纳米振荡器等领域具有广泛的应用前景。利用电学的方法调控材料或器件的磁性具有巨大的潜在应用价值,是自旋电子学的研究热点。将自旋轨道耦合与中心反演对称性破缺相结合,利用电流产生的SOT可以在非易失存储器和逻辑器件中实现对垂直磁化的电操控。虽然在重金属/铁磁金属异质结以及诸如CuMnAs、（Ga,Mn）As、Mn2Au等中心反演非对称的铁磁性或反铁磁性单层膜中已经实现了 SOT引起的磁化翻转,但在常见的具有中心反演对称的铁磁单层膜中,实现电流诱导的磁化翻转仍是一个巨大的挑战。另一方面,利用非易失存储单元提供逻辑运算功能,有望实现存算一体从而打破冯·诺伊曼瓶颈,提高数据存储密度和信息处理效率。其中,基于SOT的可编程自旋逻辑器件因为与当前CMOS工艺的兼容性好、运算速度快、功耗低和良好的可扩展性等优点而备受关注。而且,实验上已经通过楔形膜结构、交换偏置、交换耦合效应以及制造自旋流梯度等方法实现了零磁场下SOT诱导的确定性磁化翻转,为实现纯电流可控的自旋逻辑功能提供了可能,也为可编程自旋逻辑器件的实用化奠定了基础。然而到目前为止,尽管在无场磁化翻转和可重构的自旋逻辑器件方面已经取得了一些可喜的进展,但研究者们对已制备好的存储单元功能进行调控依旧存在困难。因此,如何设计出能够灵活调控且具有多功能的可编程自旋器件仍然是一个亟待解决的挑战。本论文围绕自旋轨道矩引起的磁化翻转及其在多功能自旋器件中的应用,开展了以下三个方面的研究:1.CoPt合金成分梯度膜的垂直磁化翻转我们利用磁控溅射的方法制备了具有垂直磁各向异性的CoPt合金单层膜,溅射时通过交替溅射很薄的Co层和Pt层,在厚度方向引入成分梯度,打破中心反演对称性,从而在无需引入额外的重金属层的情况下实现电流诱导CoPt梯度膜的磁矩翻转。为了揭示CoPt合金单层膜中SOT诱导磁化翻转的机制,我们通过磁光克尔显微镜观测了磁畴结构,发现铁磁合金梯度膜中SOT诱导磁化翻转是由畴壁位移引起的,并对作用于畴壁上的z方向有效场进行了定量表征。同时,利用二次谐波测量方法定量表征了作用于磁畴上的SOT有效场,得到横向有效场和纵向有效场分别为3.0 Oe per 107 A/cm2和5.0 Oe per 107 A/cm2,进而计算出CoPt合金单层膜的有效自旋霍尔角约为0.011。研究发现CoPt成分梯度膜中的磁化翻转不是源自电流诱导的奥斯特场、自旋转移力矩、Pt层产生的自旋霍尔效应、界面Rashba效应,而是因为成分梯度打破了中心反演对称性,产生了由体自旋轨道耦合作用引起的非平衡自旋,进而翻转具有垂直各向异性的CoPt单层膜。在铁磁单层膜中不依赖额外的重金属层直接实现SOT引起的磁化翻转,有望将单层膜作为一个基本单元直接用于自旋阀、磁性隧道结等自旋电子器件中,为电流调控存储与逻辑器件的发展打开了一扇大门。2.IrMn/Co/Ru/CoPt磁性异质结中的自旋逻辑在CoPt成分梯度膜的基础上,我们制备了 IrMn/Co/Ru/CoPt磁性异质结。该磁性异质结中,上层的CoPt合金具有垂直磁各向异性,下层的Co具有面内磁各向异性。通过同时施加面内磁场和电流脉冲可以控制IrMn/Co界面的面内交换偏置和面内Co的磁化方向,进而利用层间交换耦合,实现零磁场下CoPt合金磁化翻转方向的调控,从而得到了四种不同的磁矩排列构型,可用于四态非易失存储。进一步,通过控制初始电流脉冲、初始磁场和两个输入电压,在单个IrMn/Co/Ru/CoPt异质结中实现16种布尔逻辑功能。这种在单个非易失性多态存储单元中实现完备自旋逻辑运算的方案,为发展非冯·诺伊曼计算架构的新型电子器件提供了一种新的方案。3.IrMn/Co/Pt/CoPt/IrMn异质结中实现双交换偏置的室温调控成功制备了核心结构为IrMn/Co/Pt/CoPt/IrMn的磁性异质结,并在室温下对IrMn/Co界面的面内交换偏置、CoPt/IrMn界面的面外交换偏置进行了调控。通过同时施加沿x方向的面内磁场和电流脉冲,实现对IrMn/Co界面的面内交换偏置的可逆调控;通过施加沿z方向的面外磁场或沿x方向的面内磁场和电流脉冲,实现对C oPt/IrMn界面的面外交换偏置的可逆调控。另外,由于Co/Pt/CoPt之间存在层间交换耦合作用,CoPt/IrMn界面的面外交换偏置还可以通过纯电流诱导的SOT翻转进行控制。基于对面外交换偏置的纯电流调控,我们演示了四态非易失存储。我们的工作不仅为未来多功能器件的设计增添了灵活性,也为开发多维室温可重构自旋电子器件提供了更多可能性。