纳米磁性金属多层膜结构中有关自旋极化电流调控方面的研究,导致了如巨磁电阻(GMR)和隧穿磁电阻(TMR)等重要物理效应的发现,推动了信息科学和技术的巨大发展。随着纳米磁性金属材料制各工艺的不断进步,可以利用非磁性金属层或绝缘势垒层(如:铜或氧化铝)将铁磁性金属层(钴或其合金)隔开,形成空间上超薄的三明治结构,从而制备出十分有用的自旋阀器件。通过这种自旋阀结构,能对GMR和TMR等物理效应进行深入研究。目前该领域里的主要研究目标和挑战,一方面是致力于开发室温下可用的、基于半金属的磁性隧道结;另一方面则是要获得更高的磁电阻(MR)比率以及增加有效控制器件的自由度(如通过“电场”来调控)。基于上述重大问题的考虑,本论文重点开展了复合磁性隧道结的制备和输运特性的观测分析,同时进行了“电场”作为一个新的自由度对多铁性自旋电子元件调控的研究。　　 该论文一方面系统的研究了STO(001)/LSMO/Al-O/CoFeB/IrMn/Ta/Ru复合磁性隧道结从低温(5K)到室温(300K)的输运性质。该复合磁性隧道结的TMR比率随温度、偏压的依赖关系表明,低温下会同时存在正、负TMR效应;并且负TMR效应只会在低温、高偏压的条件下出现。在温度从5K增加到50K的过程中,负TMR效应逐渐减弱,而正TMR效应不断增强。在一定温度下,负TMR效应彻底消失,而正TMR比率在100K达到最大值。低温下出现负TMR效应的可能原因是:非晶势垒改变了半金属LSMO表面的能带结构,使得少子(自旋向下的电子)也参与导电。另外,通过退火可以使室温TMR比率从3%增加到11%。　　 该论文的另外一个部分研究了STO《001)/LSMO/MgO/LSMO/IrMn/Ta/Ru复合磁性隧道结的输运性质。样品的生长是通过磁控溅射系统和脉冲激光沉积系统共同完成的,其间样品经过两次非‘真空条件下的转移。其中,半金属LSMO层通过脉冲激光沉积方式生长,而其它各层由磁控溅射方式完成。隧道结的I-V曲线为非线性,表明量子隧穿是主要的输运方式。温度为5K时,隧道结的TMR比率可以达到12%,并且随着温度的升高而降低,当温度达到250K,隧道结的TMR效应消失。室温下没有观测到TMR效应的原因可能是由于MgO织构和LSMO/MgO界面的质量较差所导致。如果可以在同一超高真空沉积腔内完成多层膜的连续生长,从而改善和提高MgO织构及其LSMO/MgO的界面质量,有可能实现室温下的TMR效应。该论文还重点研究了电场对交换偏置体系和自旋阀GMR效应的调制效应,在自旋电子器件中实现了电场对交换偏置和GMR效应的调控,从实验上证明了电场作为一种新的自由度来调控自旋电子器件的可行性。实验发现,低温下电场几乎无法通过反压电效应对c0/CoO的结构进行调控,原因是衬底在低温下应变很小。不过,在CoFeB/IrMn双层膜结构中,观察到了电场对交换偏置的调控作用。此外,在自旋阀结构PMN-PT(011)-衬底/CoFe/Cu/CoFe中,通过外加电场实现了对GMR效应的调控。当磁场沿易轴方向测量时,GMR比率的变化量只有几个百分点,而当磁场方向在一个最优的角度(60度)时,变化量可高达122%。该项研究对发展电场调控的新型磁电阻材料和器件具有重要的学术价值。