自旋电子学是一门通过调控电子自旋来设计电子器件的学科。磁性隧道结（MTJ）作为具有巨大应用潜力的自旋电子器件,是自旋电子学的重要研究对象。隧穿磁阻效应（TMR）是评判磁性隧道结性能的重要指标之一,隧穿磁阻效应越大,则磁性隧道结灵敏度越高。由于无序散射的显著减弱,单晶势垒层的Mg O基磁性隧道结可以获得比非晶Al-O基磁性隧道结更高的隧穿磁阻效应。另一方面,半金属铁磁体由于具有100%的自旋极化率,所以有利于实现高的隧穿磁阻效应。因此,基于半金属铁磁电极的单晶Mg O基磁性隧道结在实验上得到了广泛的研究,而已有的实验结果无法通过传统理论模型得以解释。为此,本论文通过引入光学方法,构建了基于半金属铁磁电极的单晶势垒层的理论模型,并利用该模型计算了厚度、温度等物理效应。主要的研究结果如下:1.本文基于衍射物理方法构建了单晶势垒层磁性隧道结理论模型。在该理论模型中,单晶势垒层被视作周期性衍射光栅。因此,隧穿电子通过势垒层时会发生相干衍射,进而导致出射电子具有很强的相干性,即出射电子波函数包含多个具有不同波矢的分波。在物理上,这相当于形成了多个能量不同的散射通道。理论结果表明,即使在半金属铁磁电极情形下,当v（K _h）（29）（35）+?时,反平行通道电导G_??也不为零。相应地,TMR将是有限的。这解释了对于半金属铁磁电极磁性隧道结传统模型理论结果与已有实验结果的矛盾。2.本文研究了基于半金属铁磁电极的Mg O基磁性隧道结的厚度效应。理论计算结果表明:当v（K _h）（29）（35）+?时,G_P（parallel conductance）和TMR不随势垒层厚度振荡,而当v（K _h）（27）（35）+?时,G_P和TMR随势垒层厚度振荡;无论v（K _h）（29）（35）+?还是v（K _h）（27）（35）+?,G_AP（antiparallel conductance）均不随势垒层厚度而振荡。G_P和TMR随势垒层厚度的振荡是由于隧穿电子受到了单晶势垒层周期性势场的散射而导致电子波函数具有相干性。G_AP不随势垒层厚度振荡是由于反平行通道的隧穿电子波矢为虚数,进而导致电子波函数不再具有相干性。3.本文研究了铁磁电极化学势?、半交换劈裂能（35）和势垒层散射势分量v（K _h）对厚度效应的影响。理论计算结果表明:G_P和TMR随势垒层厚度振荡的周期和幅度随化学势?、半交换劈裂能（35）单调递增,而随v（K _h）单调递减;G_AP随势垒层厚度的变化曲线随化学势?和v（K _h）整体上移,而随半交换劈裂能（35）整体下移。物理上,G_P和TMR随势垒层厚度振荡的周期和幅度的变化是由相干波矢的变化而引起的,而G_AP随势垒层厚度的变化曲线发生平移是因为反平行通道中隧穿电子数发生了改变。4.本文通过引入晶格畸变的影响,研究了基于半金属铁磁电极的Mg O基磁性隧道结的温度效应。理论计算结果表明:当v（K _h）（27）（35）+?时,G_P和TMR随温度振荡,当v（K _h）（29）（35）+?时,G_P和TMR不随温度振荡;而无论v（K _h）（27）（35）+?还是v（K _h）（29）（35）+?,G_AP均随温度单调递增。同厚度振荡效应类似,G_P和TMR随温度振荡来源于隧穿电子的相干性。G_AP均随温度单调递增是因为,温度越高,对电导有贡献的隧穿电子数越多。此外,本文研究了应力K_h??₀、缺陷浓度?和恢复温度_cT对温度效应的影响。理论计算结果表明:应力K_h??₀和缺陷浓度?越大,G_P、G_{A P}和TMR对温度的变化越敏感;恢复温度_cT越小,G_P、G_AP和TMR对温度的变化越敏感。这来源于v（K _h）受到应力、缺陷浓度和恢复温度的调制。5.本文研究了温度对半金属铁磁电极磁性隧道结厚度效应的影响。理论计算结果表明:由于温度对于v（K _h）的修正,G_P随势垒层厚度振荡的周期和幅度受到温度的调制,而G_AP随势垒层厚度的变化曲线随温度升高而整体上移。