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本论文对磁性隧道结的制备方法及CoFe/Al-O/CoFe磁性隧道结、CoFeB/Al-O/CoFeB磁性隧道结和MgO/Al-O复合势垒磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应进行了系统的研究。
详细介绍了磁性隧道结的各种制备方法，比较了各种制备工艺流程的优缺点，说明了不同用途下适宜采用的制备方法。
利用磁控溅射结合光刻及离子束刻蚀方法制备了CoFe/Al-O/CoFe磁性隧道结，用四探针方法对样品的磁输运性质进行了室温检测，并且用物性测量系统(PPMS)对隧穿磁电阻的温度依赖关系进行了系统测量。在退火后的样品中获得室温49.1％的隧穿磁电阻比值，达到了国际上以相同工艺制备的同类CoFe/Al-O/CoFe磁性隧道结的最好水平。同时，结电阻与结面积的积矢RS为6.3kΩμm2，偏置场高于3000e，自由层反转场不高于50Oe，该种磁性隧道结可用作磁随机存储器(MRAM)的存储单元或其它磁敏传感器的探测单元。
对非晶CoFeB/Al-O/CoFeB磁性隧道结的热稳定性进行了研究。观测到隧穿磁电阻从一定的退火温度开始急剧下降，同时伴随着电阻和自由层矫顽力的显著增加。对隧道结薄膜的磁性及微结构分析表明非晶态的CoFeB铁磁层对隧道结中的Mn扩散有抑止作用，矫顽力的增大是由于CoFeB层的部分轻微晶化。隧穿磁电阻的急剧下降是主要由于势垒及势垒层与铁磁层的界面的性质的改变引起的。通过对工艺条件的进一步优化，得到退火后的室温隧穿磁电阻比值为60％，结电阻与结面积积矢RS为4.46kΩμm2，自由层矫顽力约为70e，4.2K时隧穿磁电阻达到95.4％，表明CoFeB有很高的自旋极化率。并且对该磁性隧道结的偏压关系和温度依赖关系进行了测量。这样的磁性隧道结特别适合用来制备MRAM的存储单元或其它磁敏传感器的探测单元。
对非晶CoFeB/Al-O/CoFeB磁性隧道结的低温和变温隧道谱进行了测量和研究。初步观测到了磁激子激发和声子激发效应。与多晶CoFe合金构成的CoFe/Al-O/CoFe隧道结的低温隧道谱比较而言，磁激子的峰位数目相对较少，表明非晶态的CoFeB铁磁层有较好的界面平整度，使得界面和势垒内部的缺陷及杂质含量相对减少，极化隧穿电子受到的非弹性散射几率也减小。定量的计算分析有待进一步完成。非晶CoFeB/Al-O/CoFeB磁性隧道结的低温和变温隧道谱研究，为发展和利用磁激子和声子辅助隧穿理论定量计算其伏安特性、电导率和隧道谱曲线、以及定量计算磁电阻对偏压和温度的依赖关系，提供了重要依据和数据。
研究了MgO/Al-O复合势垒磁性隧道结的输运性质。观察到了结电阻随MgO的厚度增加呈指数增加，非对称的隧穿磁电阻偏压关系曲线随MgO厚度的改变而变化。并且在这种复合势垒隧道结中获得了室温下53.4％的高隧穿磁电阻比值。这些工作对研究基于MgO和Al-O势垒的磁性隧道结及MgO/Al-O复合势垒磁性隧道结的内禀物理性质具有重要的启示作用。