如何在纳米尺度下操控电子自旋以及设计和开发新型的自旋电子学器件，是近年来人们最为关注的研究热点。磁性隧道结具有较高的磁电阻比值、良好的热稳定性和信噪比、以及易于与半导体工艺相兼容等优点，是制备自旋电子学器件的核心材料及基本元件。传统设计磁电子器件通常是采用磁场来改变磁性隧道结自由层的磁矩翻转来获得高低电阻转变，但却会增加额外的磁场产生与施加结构，从而限制了器件尺寸的进一步缩小。最近的研究表明仅利用自旋极化电流产生的自旋转移力矩效应就可以有效的翻转磁性隧道结自由层的磁矩方向，从而获得大的电阻变化，这成为了自旋电子学领域最重要的研究内容之一。然而，磁性隧道结中自旋转移力矩的有效观测一直是个难题。因此，我们选择“磁性隧道结中的自旋转移力矩表征及磁电阻效应的研究”作为本论文的研究课题，探索和寻求操控电子自旋的新方法。本论文的主要内容分为以下三个部分:　　(1)研究和优化了CoFeB/Mg(tnm)Al-O/CoFeB新型势垒磁性隧道结的磁电阻效应，重点研究了隧道结的平行态隧穿电导GP和反平行态隧穿电导GAP随温度的依赖关系。研究发现不同厚度Mg层势垒的磁性隧道结电导随温度的依赖关系存在较大差异。这种随温度变化的差异可以利用在磁激子辅助隧穿模型中引入缺陷局域态所导致的跳跃隧穿GSI修正项加以解释。　　(2)研究了基于MgO势垒的纳米环状磁性隧道结中的自旋转移力矩效应。利用微纳加工方法成功地制备出外直径100nm、壁宽25nm的纳米环磁性隧道结，并实现了利用±0.14mA的自旋极化电流直接驱动自由层的磁矩翻转，获得TMR～100％的矩型磁电阻TMR-(I)或R-(I)工作曲线，并首次在100nm尺寸的纳米环MgO磁性隧道结中完整地观测到磁电阻随外场和极化电流变化的相图。在临界翻转电流密度附近观察到了自由层CoFeB磁矩的稳定进动进而产生微波激发的现象，并通过实验测量到了自由层磁矩进动的分布区域。结合包含自旋转移力矩项的LLG方程，此时传导电子的自旋转移力矩项与衰减力矩可以相互抵消，磁性隧道结自由层的磁矩会围绕有效场的方向发生稳定进动。其进动频率和辐射功率可以通过传导电流和外磁场加以调节。　　(3)研究了CoFeB/MgO/CoFeB垂直磁性隧道结的磁电阻效应，通过结构和磁性优化，获到了室温下128％和2K下293％的高隧穿磁电阻比值。进一步研究了隧道结电导随温度和偏压依赖关系，建立了磁电阻对温度和电压变化的完整相图。首次发现MgO势垒上下两层的CoFeB的矫顽场随温度降低显示出完全不同的温度依赖特性，在一定的温度区间二者的矫顽场完全相等，从而导致磁电阻效应的消失。这是由于界面死层、粗糙度和界面缺陷等因素使上层CoFeB含有超顺磁颗粒，从而导致MgO势垒两侧CoFeB的界面各向异性不同引起的。此外，还发现在不同的温度下电场对两层CoFeB/MgO界面的各向异性调控作用不同，并在温度和电压相图中观测到了反平行态和磁电阻比值奇点的出现。