20世纪90年代以来，自旋电子学在全世界范围内得到了长足的发展。巨磁电阻效应在计算机硬盘读出磁头中的应用带来了巨大的经济效益，这也使得这种效应的发现者获得了2007年诺贝尔物理学奖。近几年，人们又开始研究基于隧道磁电阻效应的磁随机存储器。虽然自旋电子学的发展十分迅猛，但是仍然面临很多难题。例如，只有在半导体内实现高自旋极化率，方能实现从传统微电子学器件到真正自旋电子学器件的升级换代。由于铁磁体和半导体导电性能的显著差异，使得从铁磁体到半导体的自旋注入非常困难。合成反铁磁作为钉扎层运用到自旋阀中能有效地改善自旋阀的热稳定性及交换偏置，但目前广泛使用的合成反铁磁的性能还需要进一步提高，例如磁翻转场较高，不适合用作自旋阀的自由层；饱和场和热稳定性还需要进一步提高等等。另外，合成反铁磁与反铁磁层之间的交换耦合机制还不是很清楚。自旋电子器件(例如磁随机存储器)的应用还需要解决高密度存储时所遇到的能耗问题。随着器件尺寸的减小，退磁场迅速增加，使得信息的写入越来越困难。因此人们提出利用电流诱导磁化翻转的方法进行信息写入，这样可以大幅度地降低写入能耗。但目前为止这种电流诱导磁化翻转效应的作用机制，特别是在复杂结构中的作用机制仍不清晰。　　 本论文主要对上面所提到的自旋电子学中的几个基本问题进行了研究，主要包括：　　 (1)研究了铁磁体/绝缘层/共振隧穿二极管复合结构中的自旋输运行为。研究发现该复合器件中的自旋电子透射系数和自旋极化率均随费米能呈类周期性振荡，且主自旋电子的透射系数高于次自旋电子的透射系数；随着铁磁金属分子场的增大，共振隧穿的位置不发生变化，但是自旋极化率大幅度提高，该器件中的自旋极化率最大可达到36％。此外，器件中的自旋输运行为还可以通过外加偏压进行调控。　　 (2)制备了双合成反铁磁结构的系列样品，与传统合成反铁磁结构相比，双合成反铁磁结构具有更高的饱和场、更低的饱和磁化强度和更好的热稳定性。此外还制备了Ni81Fe19/Co90Fe10/Ru/Co90Fe10/Ni81Fe19系列样品，研究发现在Ni81Fe19和Ru之间插入极薄的Co90Fe10层能大幅度提高样品的饱和场、降低矫顽力和饱和磁化强度，热稳定性也有较大提高。　　 (3)制备了Co90Fe10/Ru/Co90Fe10/Fe50Mn50多层膜，研究了Ru层厚度变化及退火对多层膜交换偏置的影响。结果表明，该多层膜在平行膜面及垂直膜面两个方向上的交换偏置场均依赖于Ru层厚度变化。当Ru层厚度为0.5 nm时，垂直膜面的交换偏置场高达682 Oe。随着Ru层厚度的增加，垂直膜面的交换偏置场呈逐渐递减的趋势，而平行膜面的交换偏置场呈逐渐增加的趋势。　　 (4)研究了反对称自旋阀结构中的电流诱导磁化翻转(CIMS)行为。随着外加磁场的增大，该结构的纳米器件表现出一种由“逆CIMS”向“正常CIMS”的转变。分析表明，导致这种转变的原因是该反对称自旋阀在不同的外加磁场下有不同的磁化取向。