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隧道磁电阻效应(TMR)由于其在信息处理与存储方面的巨大应用前景和丰富内在物理内容引起了物理和材料学界的广泛关注。对于磁记录读出磁头方面的应用来说，低的自身电阻和高的室温隧道磁电阻率都是很重要的。以ZrAlOx作为氧化势垒层的磁隧道适合这种应用的需要，然而与以AlOx作为氧化势垒层的磁隧道结相比，它的室温隧道磁电阻率要小很多。本论文综合利用成像、能谱、电子全息等电子显微学方法研究了Co/ZrAlOx/Co磁隧道结的显微结构与物理性能之间关系，获得以下主要结果：
利用电子全息方法研究了铁磁电极与非晶氧化势垒层之间的势场分布差异，从而分析了Co/ZrAlOx/Co磁隧道结的室温TMR值较低的原因。电子全息结果表明在欠氧化、理想氧化和过氧化条件下，磁隧道结中ZrAlOx氧化势垒层的厚度都要大于金属Zr和Al完全氧化条件下得到的势垒层的厚度。也就是说在三种氧化条件下，Co/ZrAlO/xCo磁隧道结的顶、底铁磁电极都是被氧化的，氧化层和铁磁电极之间无法得到高质量的界面。利用STEM与EDX相结合的线扫描方法对ZrAlOx氧化势垒层的元素分布进行了研究，结果表明ZrOx层和AlOx层是混合在一起的，说明致密的AlOx层在这种双层结构的势垒层中是不能形成的。由于ZrOx结构疏松，氧化过程中氧原子可以通过ZrAlOx的晶界氧化磁隧道结的底电极，导致在氧化层和铁磁电极之间无法得到高质量的界面，这也就是磁隧道结的室温TMR值较低的原因。
利用高分辨电子显微学研究了Co/ZrAlOx/Co磁隧道结的结构，结果表明底电极的Co层具有f.c.c.结构，顶电极Co层为多晶结构，缓冲层Ni81Fe19，反铁磁层Fe50Mn50以及底电极Co层具有相同的(111)织构。这种织构的产生是因为Co，NiFe和FeMn具有相似的晶格常数。