近二十年,自旋电子学得到了飞速发展。磁性隧道结(MTJ)由于其不但含有丰富的自旋相关的基础物理问题而且具有重要的应用价值而成为自旋电子学研究领域的一类重要材料。特别是在自旋转移力矩磁性随机存储器(STT-MRAM)的应用进程中,需要尽量减少存储单元间的静磁相互作用导致单元之间的相互干扰;需要降低临界翻转电流密度Jc以提高存储密度、降低功耗;同时还需提高磁性隧道结的隧穿磁电阻(TMR)比值以提高其信噪比。围绕MRAM等自旋电子学器件应用的这些方面,本论文通过结合磁性测量和磁电输运性质测量等对具有面内磁各向异性纳米图型化磁性点阵、纳米图型化磁性隧道结以及具有两种结构垂直磁各向异性铁磁电极的垂直磁性隧道结体系进行了研究,获得研究结果如下:　　 本文首先通过磁光克尔效应(MOKE)测量研究了高密度有序纳米图型化磁性点阵,点阵是由不同形状的100nm尺度下的NiFe纳米实心磁体组成,重点研究了不同磁性单元之间静磁相互作用和单元形状各向异性对阵列磁翻转性质的调控。实心磁性单元的磁畴会在单元边缘产生较大杂散磁场,在具有较弱形状各向异性椭圆形磁性单元组成的阵列中,磁性单元沿着椭圆长轴和短轴方向的间距相同,当该间距缩小到30nm时,发现单元之间存在强烈的静磁相互作用,除原来的易轴外,在椭圆短轴方向还会诱导出构造各向异性;而在具有较强形状各向异性椭圆形磁性单元组成的阵列中,为了减弱磁性单元之间的静磁相互作用,沿着短轴方向上的间距Sy至少要大于50 nm,同时还要大于沿着长轴方向上的间距Sx。　　 为了进一步减弱磁性隧道结单元之问的静磁相互作用,随后通过微纳米加工技术制备了具有纳米圆盘、纳米椭圆盘、纳米环、纳米椭圆环形状结区的CoFeB磁性隧道结,隧道结尺度在100 nm,环宽为30 nm。由于纳米环状或者纳米椭圆环状磁性铁磁电极会表现出涡旋态(Vortex)或者洋葱态(Onion)的磁畴结构,在磁性单元边缘没有或具有较小的杂散磁场,所以单元之间的静磁干扰会大大减弱。同时发现相对于实心的圆盘形和椭圆盘形磁性隧道结,具有纳米椭圆环形磁性隧道结具有更小的临界翻转电流密度。具有以上两点优点的纳米椭圆环磁性隧道结是一种很有希望用于下一代高密度的自旋转移力矩磁性随机存储器(STT-MRAM)的存储单元。　　 近来,具有垂直磁各向异性的磁性隧道结(p-MTJ)也表现出较低的临界翻转电流密度,但是TMR比值还有待于进一步提高。我们对铁磁电极为Co/Pt垂直多层膜、势垒为AlOx的垂直磁性隧道结薄膜和磁性隧道结的退火温度的优化研究发现:在退火温度低于523 K的时候,磁性隧道结薄膜具有较好的热稳定性,其铁磁电极的界面结构和磁学性质几乎没有变化;并且垂直隧道结在经过483 K退火后,获得了室温下14.7%的TMR比值,这比制备态TMR数值增加了大约20%。　　 最后,对垂直磁性隧道结结构进行了优化,引入了具有CoFeB(tCFB)/[Co/Pt]n复合垂直磁各向异性铁磁电极,系统分析了具有这种结构材料体系的磁畴结构、磁翻转性质和磁电输运性质随着插入的CoFeB的厚度tCFB和退火温度TA的演变情况。我们通过磁电阻测量很明显的分辨出铁磁电极中由刚性耦合向交换弹簧非刚性耦合的转变过程,同时给出了转变厚度tCFB=0.4 nm。更重要的是发现当具有较厚CoFeB插层的垂直磁性隧道结经过375℃退火后,由于上下铁磁电极具有交换弹簧耦合的性质,导致TMR比值具有非常大的提高,从制备态的15%上升到32%,上升幅度为113%,利用交换弹簧模型可对实验进行较好的物理分析。我们预测如果用MgO势垒代替AlOx势垒并且优化铁磁电极中的垂直硬磁层部分,CoFeB插层的厚度有望进一步提高,并可以使垂直磁性隧道结的TMR比值进一步提高。