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磁性隧道结（MTJ）,由两层磁性金属电极间隔中间绝缘体势垒组成的三明治异质结,在自旋电子学和信息技术领域具有广泛的应用,更是新一代高密度磁记录磁读头和磁随机存储器（MRAM）的核心元器件。其中,MgO势垒MTJ因为具有非常高的隧穿磁电阻值（TMR）,成为了MRAM应用中的关键存储单元材料。同时,为了获得MRAM的长寿命、低功耗、高密度、高速度等多方面优越性能,人们对MTJ的磁各向异性提出了许多要求,包括具有垂直磁各向异性（PMA）、高的磁各向异性能（MAE）、高的电压调控磁各向异性（VCMA）系数等等。本论文通过第一性原理计算,研究了MgO势垒MTJ中的磁各向异性及其电压调控。具体的工作内容如下:（1）研究了HfO2插层对Fe/HfO2/MgO隧道结的界面磁晶各向异性能的影响。我们计算发现HfO2插层使隧道结的Fe-O键长从2.20?减小到了1.77?,而Fe-O键杂化对Fe|MgO界面PMA有重要的影响。通过对比计算试验得知,减小的Fe-O键长使距离Fe|MgO界面第二近邻、第三近邻的Fe原子层的电子轨道进一步重分布,从而增大它们的MAE贡献绝对值。但减小键长却对离界面最近的Fe原子层的MAE影响较小。Fe/HfO2/MgO超胞在Fe层厚度为5原子层（ML）时,MAE增强可达1.95 mJ/m2。（2）研究了Cr/Fe/MgO异质结中Fe层较薄时高VCMA系数的起源。我们发展了k分辨VCMA结合二阶微扰论分析方法去探究Cr/Fe/MgO中VCMA与量子阱态的关系。计算得到的VCMA系数在Fe厚度(tFe)为3 ML时达到-297 fJ/Vm,且随tFe增大剧烈振荡,这与Nozaki等人的实验结果相符合。在理论分析中,我们首先验证了屏蔽电荷引起VCMA的过程。然后发现,量子阱态对tFe为奇（偶）数原子层的Cr/Fe/MgO异质结（不）提供VCMA贡献,这导致VCMA随tFe变化的振荡。而界面上的费米面变化与量子阱态相结合是Fe层较薄时高VCMA系数的起因。最后,当屏蔽电荷填充于非局域态时,如量子阱态,体内的Fe层虽未有电荷积累,但相应的非局域态仍会重分布,从而产生体的VCMA贡献。（3）设计了Cr/HM（重金属）/Fe/MgO异质结,使其同时满足磁随机存储器（MRAM）对核心器件MTJ的各方面要求,包括高TMR、PMA、高MAE和高VCMA。通过调节HM元素种类和原子层数使异质结的量子阱态出现在费米面上,同时利用HM的强自旋轨道耦合在HM层中产生大的体VCMA贡献。在筛选和测试了多种HM之后,找到了3个满足要求的目标异质结,Cr/Pt（2 ML）/Fe（4ML）/MgO、Cr/Ir（2 ML）/Fe（4 ML）/MgO和Cr/W（1 ML）/Fe（3 ML）/MgO。计算得到的MAE分别为,5.50 mJ/m2、2.57 mJ/m2、和2.00 mJ/m2,VCMA系数分别为287 fJ/Vm、435 fJ/Vm和630 fJ/Vm。