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自旋阀和磁隧道结是两类最重要的自旋电子学器件，它们的结构为“铁磁自由层/非磁金属或绝缘层/铁磁参考层/反铁磁”。近些年来，他们一直是国际上研究的热点并且在工业上得到广泛的应用。自旋阀和磁隧道结主要包含两方面的用途，即:作为磁传感器和磁存储单元。本论文的主旨在于寻找新的方法以及新的材料，提高自旋阀和磁隧道结的性能，使它们能在传感器和信息存储领域发挥地更加出色。为此，我们分别研究了“铁磁/反铁磁/铁磁”三明治结构中的90°层间耦合和CoFeB/MgO结构中的垂直磁各向异性，以及它们分别在线性自旋阀和垂直磁隧道结中的应用，最终取得重要进展，具体如下: 作为磁传感器，自旋阀和磁隧道结的电阻必须要随外磁场线性变化，这需要他们的自由层的磁化易轴垂直于参考层的磁矩方向。传统的解决办法都存在自身的缺点并且会使传感器的设计变得复杂。我们首先在“自由层NiFe/IrMn/偏置层NiFe”三明治结构中发现了90°层间耦合现象;随后，我们在“自由层NiFe/IrMn”界面处插入一层薄的非磁层(Cu，Pt，RuorTa)。通过改变非磁间隔层的厚度就可以方便地调节90°层间耦合的强度，从而调节“自由层NiFe”的有效各向异性场的大小。更重要的是，非磁层的插入能更加迅速地降低“自由层NiFe”的矫顽力和中心偏移场。最后，我们将“自由层NiFe/极薄非磁层/薄IrMn/偏置层NiFe”作为复合自由层应用到自旋阀中，成功制备出高灵敏度无中心偏移场线性自旋阀。这将极大地简化磁传感器的设计。 室温下，通过增加间隔层CrAl中Al的含量提高它的Neel温度，结果导致三明治结构“自由层NiFe/Cr1-xAlx/偏置层NiFe”中的共线(collinear)耦合转变为90度耦合。而且，90度耦合建立以后，固定的温度和间隔层成分下，耦合强度随间隔层的厚度非单调变化。以上所有的结果都似乎说明:此体系中层间耦合主要有两部分贡献:第一部分是跟极化的传导电子有关的RKKY长程相互作用，第二部分为Cr1-xAlx内部以及NiFe/Cr1-xAlx界面处的海森堡直接交换作用。其中，共线耦合主要由第一部分贡献引起，第二部分对它的贡献几乎可以忽略;相反的90度耦合则主要由第二部分贡献。这样，随着Cr1-xAlx的反铁磁性的增强，第一部分的贡献必然减小，而第二部分的贡献必然增大，从而耦合类型就从共线耦合转变到90度耦合。另外，90度耦合三明治结构“自由层NiFe/Cr1-xAlx/偏置层NiFe”非常适合应用到线性自旋阀或磁隧道结传感器中。 最近，在广泛应用于面内隧道结的Ta/CoFeB/MgO结构中发现了垂直磁各向异性，并且运用该多层膜结构成功地制备了高性能的垂直磁隧道结。这些发现无疑给自旋电子学注入了新鲜的血液，并为下一代自旋电子学器件的实现打下了良好的基础。然而，实际上Ta/CoFeB/MgO中垂直各向异性能还完全不能满足他在实际应用中的需求，另外，物理上虽然已经广泛认可CoFeB/MgO界面处垂直磁各向异性，但是对于Ta的作用还存在着很大的争议。本论文中，我们首先证明了Ta/CoFeB/MgO体系中的垂直磁各向异性完全来自于CoFeB/MgO界面，但同时Ta也起着重要的作用，它极大地增强了CoFeB/MgO界面处的垂直磁各向异性。进一步，我们用Hf作为CoFeB/MgO的缓冲层替代Ta将体系的垂直磁各向异性增加了35％，CoFeB磁矩能垂直于膜面的极限厚度从1.1nm增加到1.5nm。而且，薄的Hf膜跟Ta一样为表面平整的非晶膜，这就保证了类似于Pd/CoFeB/MgO或Pt/CoFeB/MgO系统中有害的模板效应不会出现。这些性质都保证了Hf/CoFeB/MgO比Ta/CoFeB/MgO更加适合应用到CoFeB-MgO垂直隧道结中。 Ta/CoFeB/MgO不仅有垂直磁各向异性不够大的问题，许多课题小组还提出它的热稳定性很差。我们的实验同样发现它在经过300℃以上温度退火后，垂直磁各向异性迅速降低，这无疑将限制Ta/CoFeB/MgO在垂直磁隧道结中的应用，特别是与CMOS电路的结合（需要经过一个350℃以上的退火过程）。本论文中，我们用Mo这种常用的高温材料替代Ta作为CoFeB/MgO的缓冲层，结果发现体系的垂直磁各向异性能增加了20％，CoFeB磁矩能垂直于膜面的极限厚度从1.1nm增加到1.3nm。更重要的是Mo/CoFeB/MgO垂直各向异性膜的热稳定性非常好。在425℃退火两个小时以后，垂直各向异性依然保持良好。