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我们利用先进的密度泛函结合非平衡格林函数技术研究了磁性和非磁性隧道结及器件的量子输运性质。在Fe/MgO/Fe 磁性隧道结中，我们发现在费米能级以上能量约为1.06 eV 处，在Fe/MgO 界面处自旋向下通道存在一个很大的界面态，这个界面态位于二维布里渊区的Γ点附近，因而具有很小的衰减系数，即使在较厚的MgO势垒中(3 nm)，也能够造成很大的透射，表现在透射谱上就是在能量1.06 eV 处自旋向下通道有一个透射峰，这造成了Fe/MgO/Fe 隧道结磁化反平行配置时自旋向下电子的I-V 曲线在偏压为1.1 V 附近电流有一个突然的增大，这显著降低了此时隧道结的磁电阻，我们认为这可能也是实验中观察到的Fe/MgO/Fe 磁性隧道结随着电压的增大磁电阻下降很快的原因之一。另外，MgO 势垒相对于Fe 电极较低的势垒高度（1.2 eV），造成了所有自旋通道的电流都随着偏压而迅速增大，这是磁电阻随偏压迅速减小的第二个原因。我们在Fe/MgO 界面处增加了一层银单原子层，发现这可以显著抑制自旋向下通道的透射，且抬高了MgO的势垒高度，我们的计算表明Fe/Ag/MgO/Ag/Fe 隧道结在较高的偏压下也能获得很高的磁电阻效应和大的输出电压。
在全氧化物磁性隧道结La2=3Sr1=3MnO3/MgO/SrRuO3中，我们发现在两铁磁电极反平行磁化配置时，磁性隧道结展现了一个明显的整流行为，在偏压为0.5V 时13 层MgO 势垒的隧道结中整流比率可达到100 左右，我们证明了这个行为来自于MgO 势垒层的对称性过滤性质。在LSMO 电极的费米能级上具有自旋向上的Δ1态，它在MgO 势垒中具有最小的衰减系数，在铁磁相SRO 电极上有一个自旋向上的Δ1 态和自旋向下的Δ5态，当磁化反平行配置时，LSMO 电极中Δ1 态的电子很容易隧穿进入SRO 电极，但SRO 电极中没有自旋向下的Δ1 态，所以SRO 电极中电子隧穿几率很小，因而反向电流很小，这就造成了一个整流行为。而在把MgO 势垒换成8 层SrTiO3 势垒的隧道结中，没有表现出整流行为。我们证明隧道整流效应可以通过增加势垒层的厚度来增强，并且La2=3Sr1=3MnO3/MgO/SrRuO3 磁隧道结可以通过磁化配置的改变来控制它的整流状态。这个整流行为完全由量子隧穿过程统治，相较于传统的半导体器件，我们可望在未来设计出更快速的量子器件，例如隧道二极管和隧道晶体管。
最后，我们提出了一个隧道二极管的模型，阐述了它的原理。在一个绝缘势垒层夹在两金属电极之间的三明治结构中，其中一个电极（发射极）在费米能级上拥有最小衰减态，它们相较于其它的态能较容易的通过势垒，而在另一个电极（接收极）费米能级上则没有最小衰减态，而是在费米能级的上方拥有一个最小衰减能带，它们能够接收来自发射极的最小衰减态，则这样一个隧道结将展现出整流效应。我们具体研究了一个Ag/MgO/SrRuO3 隧道结的例子，计算了其I-V 曲线和整流比率，器件展现出良好的整流性能，在很大的偏压范围都保持了很高的整流比率。计算结果显示出这种隧道二极管是可行的。