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近二十年来，随着巨磁电阻效应的突破性发现，人们将大量的精力投入到铁磁、非磁材料组成的人工结构的自旋调控，新兴学科自旋电子学应运而生。自旋阀和磁性隧道结是目前最重要的两类自旋电子学器件，它们一直是国内外的研究重点，并已经在工业中被广泛应用于制造高密度磁性存储器件和磁电阻传感器等。交换偏置作为自旋阀和磁性隧道结中不可或缺的一部分，其复杂的机理一直以来都受到了广泛的关注。由于面内磁化的磁性器件单元临界尺寸容易受制于磁结构的不稳定性，甚至超顺磁极限，且磁化翻转速度和电流驱动磁化等方面都存在严重问题，近年来的研究对象逐渐转向了具有垂直磁各向异性的磁性材料体系，其中具有垂直磁各向异性的CoFeB/MgO体系由于其优秀的性能而被认为具有真正应用前景。本论文分别研究了CoFeB/MgO垂直体系中的垂直交换偏置以及反铁磁耦合，并对交换偏置中反铁磁IrMn的性质进行了一定的研究，具体如下: 研究了由反铁磁材料IrMn钉扎的CoFeB/MgO垂直体系中的垂直交换偏置。直接生长在IrMn上的CoFeB/MgO双层膜没有表现出能够克服形状各向异性的垂直磁各向异性能。在CoFeB层中插入Ta后，可以在IrMn/CoFeB/MgO中同时得到垂直膜面方向的交换偏置和很大的垂直磁各向异性。进一步，将与IrMn相邻的CoFeB亚层替换为CoFe层，多层膜中的垂直交换偏置出现了显著的增加，并且能够同时保有很大的有垂直磁各向异性。通过优化CoFe层和Ta层的厚度，在CoFeB/MgO垂直膜体系中得到了约为540 Oe的垂直交换偏置场，其所对应的有效垂直磁各向异性场约为2.5 kOe。这些结果表明，在界面处插入的CoFe/Ta复合层，可以在IrMn/CoFeB/MgO体系中实现性能优异的垂直交换偏置。 通过测量YIG(Y3Fe5O12)/IrMn结构(YIG为亚铁磁性)中平面霍尔效应，研究了反铁磁层IrMn的自旋转动。通过YIG/IrMn双层膜中不同温度下平表面霍尔电阻(PHR)随着电流与饱和外磁场夹角变化的研究，发现其PHR具有显著的对角度依赖关系。作为对照，同时研究了非磁性GGG(Gd3Ga5O12)/IrMn结构在10K和300 K时的PHR，发现在该结构中，样品的PHR几乎不随电流与对应外磁场夹角而变化。这说明了反铁磁材料IrMn在界面处具有未补偿自旋，且能够与铁磁自旋耦合并随着铁磁层自旋转动。在10K时，在YIG/IrMn双层膜的PHR-磁场角度曲线中可以观察到磁滞现象，证明了IrMn的界面磁矩低温下的不可逆转动。 研究了MgO/CoFeB/Mo/CoFeB/MgO多层膜结构的磁性能和电磁输运性能。发现这个结构中的两个CoFeB层可以同时具有垂直磁各向异性和反铁磁层间交换耦合;在具有垂直反铁磁耦合的样品中，还观察到相对应的巨磁电阻效应。最为重要的是，这个以Mo作为非磁性分隔层的反铁磁耦合结构，具有非常好的热稳定性，在经过400℃退火后仍然维持较大的垂直反铁磁耦合。研究结果表明，具有垂直反铁磁耦合的MgO/CoFeB/Mo/CoFeB/MgO多层膜结构在基于CoFeB/MgO垂直体系的自旋电子学器件中，具有非常好的应用前景。