自旋电子学(Spintronics)在过去的20年间经历了从产生到飞速发展的阶段。它着眼于研究电子的自旋自由度而不是其电荷自由度，为现代科学研究带来了革命性的变化。而磁性隧道结(MTJ)的研究便是自旋电子学领域中最吸引人们注意力的内容之一。虽然人们通过多年的研究已经在室温下获得了相当大的隧道磁电阻(TMR)效应，并且已经逐渐将此效应应用到实际的器件模型中，但是MTJ的很多物理机制如偏压特性还不是非常清楚。本论文工作的主要目的是通过研究磁性隧道结中间势垒层的氧化机制、TMR 的偏压特性等相关的自旋极化输运性质来揭示其中蕴涵的一些基本物理规律。此外，目前关于双势垒或复合势垒磁性隧道结的研究报道还很少，本论文工作的另一方面内容主要是通过研究具有复合势垒AlOx/ZrOx的MTJ中TMR的偏压性质，并利用合适的理论模型加以诠释，从而进一步揭示MTJ的工作原理。主要结果如下： 一、单势垒磁性隧道结： 1、我们通过磁控溅射方法制备了楔形中间层的隧道结多层膜，结合在位等离子体氧化法将中间Al层氧化成为绝缘势垒层，并采用光刻的方法在同一块基片上获得了不同氧化状态(过氧化、欠氧化及最佳氧化)的MTJ样品。室温下，在我们制备的两铁磁电极均为FeCo的MTJ样品中，TMR比值最高可达37％。 2、通过测量不同氧化状态的MTJ样品的电阻、隧道磁电阻随中间层厚度及外加偏压的变化行为，我们对隧道结中间层的氧化机制进行了仔细地研究，并用晶界氧化模型较好地解释了所出现的实验现象。 3、我们还利用高分辨透射电子显微镜，并结合电子全息照相(EH)技术探测了MTJ样品的微结构以及势垒/电极界面的形貌，进一步深入研究了中间势垒层的氧化机制及铁磁电极与势垒层的界面氧化状态。 二、复合势垒磁性隧道结： 1、我们在ZrOx/AlOx复合势垒 MTJ 样品上施加一定偏压时，发现了与通常观测到的正常隧道磁电阻相反的负的磁电阻效应。同样，我们在以AlOx/ZrOx复合势垒的MTJ样品上也发现了负磁电阻，且其TMR-V(偏压)曲线与前一种结构的曲线几乎呈镜面对称。 2、我们将复合势垒MTJ中间层的氧化过程从一步氧化变为两步氧化，即先溅射一层金属Al，氧化后再溅射另一层金属Zr，然后再氧化一次。通过这种方法制备的样品不仅得到了TMR随偏压的变号现象，在较高偏压下我们还观察到了TMR随偏压变化的振荡特征。 3、针对上述现象的解释，我们首先采用扩展的Slonezewski模型，并用WKB近似处理中间势垒层的电子波函数，得到了TMR随偏压增大单调减小并在一定偏压下变负的结论，成功地解释了复合势垒ZrOx/AlOx磁性隧道结中出现的负磁电阻现象。然后，我们又引入严格的Airy函数代替WKB近似处理中间层的电子波函数，得到了在高偏压下TMR的振荡行为，定性地解释了我们在两步氧化法获得的复合势垒MTJ中观测到的具有振荡特征的偏压现象。