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MgO磁性隧道结已经成为了自旋电子学领域的一种核心材料，很多自旋输运问题的研究都是在MgO磁性隧道结的基础上进行的；另外，MgO磁性隧道结又是自旋电子学领域最具有应用潜质的一类材料，广泛地应用于MRAM、磁头以及自旋振荡器等自旋电子学器件。
磁电输运的温度依赖特性和偏压依赖特性是研究磁性隧道结材料最重要的两个方面，它们能直接反应磁性隧道结材料的磁电阻比值、自旋相关的弹性隧穿、非弹性隧穿和自旋不相关的非弹性隧穿等问题，同时也能间接地反映其势垒结构、磁性电极/势垒界面性质以及杂质等问题，是理解磁性隧道结材料的关键；另外，实用的自旋电子学器件都是工作在特定的偏压和特定的温度下，而磁性隧道结输运性质的温度特性和偏压特性直接与其应用所需要的热稳定性、偏压下的工作特性相关，能提供磁性隧道结在自旋电子学器件应用中最基本的一些参数，比如TMR比值、TMR(T)、RA、Vhalf等。因此，本论文结合磁性薄膜的结构表征和磁性表征方法，以几类典型MgO(单晶和多晶)磁性隧道结材料的温度依赖特性(Gp(T)，GAP(T))和偏压依赖特性(dⅠ/dV，d2Ⅰ/dV2，TMR(V))为主要研究内容。
在材料选择上，我们首先讨论了两类典型的MgO磁性隧道结体系：核心结构为CoFeB/MgO/CoFeB以及单晶Fe(001)/MgO/Fe磁性隧道结。在保持高TMR的同时，磁性隧道结的RA的减小以及垂直磁性隧道结材料是高性能磁性传感器(如磁头)以及高密度磁存储所需要的，因此我们在材料上分别优化和制备了单晶Fe(001)/MgZnO/Fe磁性隧道结以及单晶FePt(001)/MgO/FePt磁性隧道结，并讨论了其磁电输运性质。最后，还设计了一种能产生线性磁电阻效应的磁性隧道结结构，并讨论了其作为高灵敏度磁性传感器的可能性。具体如下：
(1)从MgO薄膜的结构优化开始，我们优化了CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结材料，并在顶部钉扎的磁性隧道结中获得了150％的TMR比值。利用我们在磁性隧道结非弹性隧道谱研究中基于磁子激发和磁性杂质散射机理的理论模型，研究了这类磁性隧道结磁电输运性质随退火温度变化的物理机制；最后，我们还讨论了CoFeB垂直磁各向异性的物理机制。
(2)讨论典型的外延生长的单晶Fe(001)/MgO/Fe磁性隧道结温度依赖特性以及其界面性质，发现不同势垒厚度的磁性隧道结其温度依赖特性可以很好地被Wang的模型解释；另外结合第一性原理计算，其偏压依赖关系表明，上界面除了Fe/MgO理想界面以外还存在一些氧空位，而下界面存在Fe|MgO和Fe-FeO|MgO。
(3)通过在外延生长中MgO和Zn的共沉积，我们将Zn掺入MgO势垒形成了单晶的MgZnO势垒以减小势垒的带隙，以此降低磁性隧道结的RA;在Zn含量为15%和30%下的磁性隧道结中分别获得了室温70%和13%的磁电阻比值，并观察到其RA随Zn含量的增加显著减小。最后讨论了Fe(001)/MgZnO/Fe磁性隧道结的温度/偏压依赖关系，发现势垒中杂质的散射是其较低TMR比值以及较大温度依赖关系和偏压依赖关系的主要原因。
(4)外延生长了以L10相FePt为磁性电极的核心结构为FePt(001)/MgO/FePt的MgO垂直磁性隧道结。获得了室温25%，低温35%的TMR比值，并发现其非弹性隧道谱存在很大的偏压不对称性。通过XRD、RHEED等结构表征手段结合第一性原理计算方法讨论了其磁电输运性质随偏压不对称性的结构原因。
(5)利用FM的磁矩方向可以通过AFM的交换偏置效应来控制，同时其强度可以通过在FM和FM之间插一层非磁性金属层来调控，我们提出了一种新的基于间接交换偏置结构(选用CoFeB/Ru/IrMn结构)的具有线性MR效应的磁性隧道结结构，并且通过改变Ru的厚度来实现线性区间以及灵敏度的连续变化。在AlOx势垒磁性隧道结中，通过改变中间Ru层的厚度，我们可以连续而又方便地调控其线性响应区间及其灵敏度，在Ru层厚度为1.8(?)时，我们得到0.6%/Oe的灵敏度。