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全单晶外延磁性隧道结中的自旋相关输运性质，比基于非晶势垒(如Al2O3)的磁性隧道结具有更丰富的物理内涵，并且适合于利用第一原理计算进行理论研究，加深人们对磁性隧道结中的自旋相关输运的认识；同时，在铁磁金属/磁性半导体复合磁性隧道结中实现电子自旋从磁性金属向磁性半导体的注入和检测成为当今自旋电子学的前沿研究热点之一。本论文采用分子束外延技术和磁控溅射技术，结合微加工方法制备了结构为Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)的全单晶外延磁性隧道结和结构为CoFeB/GaAs/(Ga，Mn)As、CoFeB/Al2O3/(Ga，Mn)As和CoFeB/AlAs/(Ga，Mn)As的铁磁金属/磁性半导体复合磁性隧道结。采用隧道谱测量技术研究了全单晶外延磁性隧道结在室温和低温下的平行态和反平行态的电导偏压关系和隧道谱；采用四探针方法测量了铁磁金属/磁性半导体复合磁性隧道结的结电阻和磁电阻比值的温度、偏压依赖关系，实验结果为加深我们对单晶磁性隧道结的自旋相关输运性质的认识提供了重要的线索。
(1)利用分子束外延技术生长了不同MgO厚度的Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)的单晶磁性隧道结，用X射线衍射仪(XRD)、反射式高能电子衍射仪(RHEED)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析其微观结构。在Fe(001)(25nm)/MgO(001)(3nm)/Fe(001)(10nm)单晶磁性隧道结中观察到了室温172％和低温(10 K)318％的TMR比值，这是继日本AIST的S.Yuasa小组和法国LPM的A.Schuhl小组之后世界上第三个在该结构中获得高的室温TMR比值的报道。反平行态电阻比平行态表现出更强的温度和偏压依赖关系，反平行态电阻随温度降低明显增加，而平行态电阻几乎不随温度变化。与此同时，反平行态电阻随偏压增加明显减小，平行态电阻表现出很小的偏压依赖关系，特别是在低偏压(｜Vb｜<0.35 v)范围几乎不变。我们在实验结果的基础上，提出一个唯象模型，认为由于温度效应导致上下铁磁电极不能共线排列(non-collinear)从而引起磁电阻随温度上升而非线性降低的依赖关系。研究了Fe(001)/MgO(001)(t)/Fe(001)(t=2.1 nm and2.94 nm)单晶磁性隧道结电导和隧道谱；平行态电导在低偏压范围表现出振荡特征，隧道谱具有振荡的峰结构，并且这种振荡特征一直到77 K仍能观察到，我们认为Fe(001)/MgO(001)界面的电极Fe非理想的原子结构(如在Fe(001)/Mg0(001)界面存在FeO层)和电子态是导致电导振荡的主要原因。反平行态电阻在低偏压(｜Vb｜<0.3 v)范围随偏压迅速减小，从隧道谱上看，-113 mV和144 mV处的半高宽较大的谱峰与这种趋势对应，排除了这两处谱峰为声子峰或磁振子峰的可能，也与Fe(001)/Mg0(001)界面的电极Fe的电子态有关。另外，平行态和反平行态电导、隧道谱对正负偏压均表现出不对称性，这是因为上下Fe(001)/Mg0(001)界面处Fe电极的原子结构和电子结构不同，比如在生长过程中下界面Fe电极表面可能聚集更多的氧原子。
(2)结合分子束外延和磁控溅射技术制备了结构为CoFeB/GaAs/(Ga.Mn)As、CoFeB/Al2O3/(Ga.Mn)As和CoFeB/AlAs/(Ga，Mn)As的三种铁磁金属/磁性半导体复合磁性隧道结，在上述三种结构中观察到了低温隧穿磁电阻效应。其中，我们首次在以GaAs和Al2O3为势垒的铁磁金属/磁性半导体复合磁性隧道结中观察到了低温TMR效应。T=10 K时TMR比值分别为4.7％、1.6％和2.5％，实现了电子自旋从磁性金属向磁性半导体的注入和检测。以GaAs和Al2O3为势垒的复合结构的结电阻和TMR均表现很强的温度和偏压依赖关系，V1/2分别6.3mV和2.6 mV，我们认为这与(Ga，Mn)As较低的费米能(～100 meV)有关。