由于钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂,YIG)具有高绝缘性、极低的阻尼因子和长的磁振子衰减长度,近年来在自旋电子学中吸引了人们的极大兴趣,并且大大促进了自旋泵浦、自旋热电子学、自旋波电子学甚至拓扑自旋电子学的研究。钇铁石榴石薄膜和其他稀土铁石榴石薄膜一样,形状各向异性占主导地位,所以通常具有面内易磁化。随着自旋电子学的迅速发展,具有垂直磁各向异性的磁性绝缘体纳米薄膜变得越来越有吸引力。例如,在自旋波电子学中,自旋波传输的构型需要满足磁化方向与传输方向相垂直;利用自旋-轨道力矩可以实现绝缘垂直磁性薄膜磁化方向的翻转,基于这一原理的非易失性磁存储器和逻辑器件,与相应的全金属器件相比,焦耳热将显著减少;由拓扑绝缘体和垂直磁化的绝缘磁性层所构成的异质结构被认为是实现量子反常霍尔效应和其他拓扑磁电效应的有效方法之一。因此,绝缘垂直磁性薄膜及其异质结构成为人们越来越关注的主题。具有垂直磁各向异性YIG薄膜的制备具有挑战性。文献报道,利用脉冲激光方法在晶格参数大于YIG晶格约1.41%的单晶石榴石衬底上通过特定缓冲层适当减小外延张应力,实现了具有一定垂直磁各向异性的YIG薄膜,复杂的制备过程且较小的垂直磁各向异性都不利于其今后的进一步发展。本论文中,我们选取了三种单晶石榴石衬底,晶格参数均大于YIG的晶格参数,失配度在0.76%到1.58%范围,利用磁控溅射在三种衬底上直接沉积了YIG薄膜,通过后退火处理使制备态的非晶YIG薄膜结晶,获得了垂直磁各向异性可调的高质量（111）YIG外延薄膜。在晶格失配度为1.08%和1.58%的衬底上,由于大应变所导致的磁弹各向异性的绝对优势,薄的YIG薄膜显示出了大的垂直磁各向异性;而应变较小的YIG薄膜,包括应变部分弛豫的较厚YIG薄膜和晶格失配度只有0.76%的YIG薄膜,观察到了明显的磁弹各向异性,但不足以克服形状各向异性因而表现为面内易磁化。进一步,YIG/Pt异质结构的磁输运特性表明,我们制备的垂直磁化和面内磁化YIG外延薄膜均具有高质量的磁表面,可以使自旋流在YIG和Pt的界面进行有效的穿透。上述方法同样适用于其他稀土石榴石磁性薄膜,获得可控的垂直磁各向异性。在自旋电子学中,纯自旋流的产生和探测一直是人们关注的焦点,非磁金属的自旋霍尔效应及其逆效应被认为是产生和检测纯自旋流的最有效方法之一,而自旋霍尔角则是对材料的电荷流和自旋流相互转换效率的表征。在“铁磁/非磁金属”异质结构中,由于自旋-轨道耦合相关的自旋霍尔效应,通过非磁金属的电流产生自旋流,被铁磁层吸收,对铁磁层磁矩产生力矩作用,是自旋-轨道力矩的最重要来源之一。自旋-轨道力矩可使铁磁层磁矩翻转,相应的临界电流密度与非磁金属的自旋霍尔角紧密相关。寻找大自旋霍尔角材料具有重要意义。β-W是公认的具有大自旋霍尔角的材料,但是β-W不稳定,经高温退火极易发生相变,转化为稳定的α相,自旋霍尔角大幅减小,因而文献报道的具有垂直磁各向异性、且表现显著自旋-轨道力矩的W/CoFeB/MgO异质结构,其退火温度不能高于300°C,远低于半导体CMOS集成要求的350-400°C。我们发现了一种具有大自旋霍尔角且温度稳定性优于350°C的W-B合金,获得了兼具垂直磁各向异性的W-B/CoFeB/MgO体系;利用直流和脉冲电流诱导的自旋-轨道力矩实现了CoFeB磁化翻转;当外加面内辅助场为130 Oe时,临界翻转电流密度为2×10⁷ A/cm²。我们进一步发现W-B/CoFeB/MgO体系的自旋-轨道力矩由类阻尼有效场主导,W-B的自旋霍尔角为-0.23,与相同厚度的β-W可相比拟。我们研究了Cu缓冲层对Ir₂₅Mn₇₅自旋霍尔效应的影响。利用自旋塞贝克效应和自旋泵浦对YIG/Ir₂₅Mn₇₅和YIG/Cu/Ir₂₅Mn₇₅异质结构薄膜进行测量,发现Cu层的存在导致Ir₂₅Mn₇₅产生更大的逆自旋霍尔电压。通过磁性表征发现,直接生长在YIG上Ir₂₅Mn₇₅结晶性较差,室温下反铁磁性减弱;而YIG/Cu/Ir₂₅Mn₇₅中的Ir₂₅Mn₇₅则具有较好的结晶性和反铁磁性。利用角分辨X射线光电子能谱技术分析了YIG/Ir₂₅Mn₇₅中Mn的氧化情况,发现Mn以金属相存在,氧化情况不明显。通过铁磁共振测量发现YIG/Cu/Ir₂₅Mn₇₅的界面自旋混合电导略大于YIG/Ir₂₅Mn₇₅。因而Ir₂₅Mn₇₅在YIG/Cu/Ir₂₅Mn₇₅中逆自旋霍尔电压的增大主要来自于缓冲层Cu对Ir₂₅Mn₇₅微结构和相应反铁磁性的影响。