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磁性隧道结因其丰富的物理内涵和重要的实际应用被学术界和工业界广泛研究，成为自旋电子学核心材料之一。自旋发光二极管作为半导体自旋电子学的典型器件，也是研究半导体中自旋注入、输运和探测的理想结构之一。本论文选题为“MgAl2O4势垒磁性隧道结和发光二极管自旋注入端的制备与研究”，主要包括以下四个方面的研究工作: (1)利用磁控溅射MgAl2O4陶瓷靶材的方法优化制备了铁磁电极为面内磁各向异性的CoFeB/MgAl2O4/CoFeB磁性隧道结，详细研究了MgAl2O4势垒层的溅射气压和后期样品退火温度对隧穿磁电阻(Tunneling magnetoresistance，TMR)比值的影响，在溅射气压为1.3Pa、退火温度为325℃的条件下，得到了室温超过50％的TMR比值。利用磁子辅助隧穿模型很好地拟合了两铁磁层在平行态、反平行态下电阻和TMR随温度的依赖关系。对比研究了MgAl2O4、AlOx和MgO三类势垒磁性隧道结的非弹性隧道谱。 (2)系统优化了Ta和MgAl2O4之间超薄CoFeB的垂直磁各向异性，研究了CoFeB厚度及退火对垂直磁各向异性的影响。对于Ta/CoFeB/MgAl2O4结构，在制备态下呈现出很好的垂直磁各向异性，而对于MgAl2O4/CoFeB/Ta结构则必须通过退火处理实现垂直磁各向异性;实现CoFeB垂直磁各向异性的厚度窗口分别为0.6nm-1.0nm和0.8nm-1.4nm。在此基础上，成功制备了具有垂直磁各向异性的CoFeB/MgAl2O4/CoFeB磁性隧道结，得到了室温36％和低温63％的TMR比值，并且测量了其非弹性隧道谱，发现存在同面内磁各向异性隧道结相同的非弹性隧穿过程。 (3)利用分子束外延方法生长制备了Fe/MgAlOx(3ML)/Fe/MgAlOx(12ML)/Fe全单晶双势垒磁性隧道结，研究了其中自旋相关的量子阱态。在中间Fe层厚度为6.3nm、7.5nm及12.6nm的样品中均观测到了电导随偏压的振荡效应，通过第一性原理计算及相位累积模型模拟，证实了这种振荡来源于中间Fe的量子阱态。而在12.6 nm的量子阱中依然能观测到室温量子阱效应！通过对比研究不同势垒组合的双势垒磁性隧道结，发现量子阱/厚层势垒的界面是影响量子阱效应的关键。由于MgAlOx与Fe的晶格失配度较小，界面处相位位移分布较小，导致自旋相关的量子阱效应很强。 (4)在发光二极管上制备了结构为MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO的隧道结型自旋注入端，研究了电致发光的极化率PC。研究表明，Ta插层对CoFeB垂直磁各向异性有很重要的作用并决定了两层CoFeB的耦合类型。在Ta插层厚度为0.5nm和0.75nm情况下，两层CoFeB分别为铁磁耦合和反铁磁耦合。利用隧道结型自旋注入端可以在低温下得到零磁场下高达10％的剩余光极化率PC，而注入自旋的方向只取决于靠近MgO/GaAs界面的CoFeB层。