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本文系统讨论了磁性隧道结中隧穿磁电阻(TMR)的偏压性质．
论文分两大部分．
第一部分讨论大截面隧道结中TMR在任意偏压下的行为．为此对FM/I/FM隧道结提出了一个不仅适用于低偏压区也适用于高偏压区的统一的自旋隧穿理论，并使用Airy函数表示势垒区中的严格电子波函数。为便于解析讨论TMR偏压性质的物理机制，采用Airy函数的渐近展式来化简严格透射系数表达式．研究发现，在低偏压区，TMR必然要发生变号，这是由隧道结中量子相干效应所导致的。而在高偏压区，TMR会随着外加偏压的增大而在正负值之间振荡．物理上，这是势垒中入射电子波与界面反射电子波干涉效应的结果．在此基础上，还研究了势垒高度，绝缘层厚度以及绝缘层中电子有效质量mB/m对TMR偏压曲线的影响。结果表明，具有较低势垒高度和较大mB/m的隧道结在实验上更容易观测到TMR的变号与振荡行为．根据这个理论，可以解释在Al2O3和Ta2O5作为势垒的隧道结中所观测到的TMR偏压曲线特征．对于Al2O3隧道结，由于它具有较大的势垒高度和较小的mB/m值，因此TMR在实验测量范围内始终保持正值．相反，Ta2O5隧道结具有较低的势垒高度和较大的mB/m值，故而能够观测到TMR随偏压增大由正变负，并在偏压继续增大时表现出上凹特征(表明振荡的开始)．总之，理论合理地解释了FM/I/FM隧道结中所观测到的TMR偏压曲线．
将以上理论应用于FM/FI/FM全铁磁隧道结，讨论了该结构中的自旋过滤效应以及TMR偏压性质．在强自旋过滤条件下，TMR主要由绝缘层中自旋向上通道(其平均势垒高度为ψT)控制．此时，全铁磁隧道结的零偏压TMR由推广的Slonczewski公式(TMR≈PLT+PRt)决定．又由于有效自旋极化率Rt和PRt分别正比于，而这些因子的正负号完全由ψT决定．因此，当平均势垒φt较高时零偏压TMR为正，而当势垒较低时则为负，这就首次从理论上解释了Nowak等人1992年在GdOx作为势垒的隧道结中所观测到的经典实验现象．此外，由于势垒作用和自旋过滤效应的结果，当势垒很高或是很低时，TMR在零偏压附近很宽的范围内保持较高的数值，或者说TMR具有良好的偏压稳定性，本文相信这个理论结果对器件设计具有应用价值．而在高偏压区，还预言了全铁磁隧道结具有与FM/I/FM普通隧道结不同的振荡特征，即在不同的势垒高度下，TMR可以在正区间(TMR＞0)，负区间(TMR＜0)或是正负值之间振荡．
论文的第二部分讨论小截面隧道结的TMR和杂质共振散射效应，即绝缘层中非磁杂质对TMR偏压特征的影响．为此建立了一个包含杂质散射作用和截面积效应的更普遍的微观模型，并利用格林函数方法进行求解．从该模型中可解出总隧穿电流密度包含直接隧穿电流密度与通过杂质态的间接隧穿电流密度两部分，其中直接隧穿的贡献正是论文第一部分所讨论的。本研究发现，直接隧穿与间接隧穿对总隧穿电流的贡献由隧道结截面积的大小决定．当截面积很小时，间接隧穿的贡献远大于直接隧穿，故后者可以忽略；当截面积很大时，直接隧穿的贡献占主导地位，间接隧穿的贡献可以忽略．因此，在论文的第一部分里只需要讨论大截面隧道结中直接隧穿的贡献．但对于小截面隧道结，则还需要考虑间接隧穿的影响．如果隧道结的截面积很小以至直接隧穿可以忽略时，间接隧穿将起主导作用，TMR的行为将由杂质共振散射因子与隧道结中的量子相干因子共同决定：前者使TMR由正变负，后者使TMR随偏压增大而衰减．由此本文对截面积小于0.01μm2的纳米隧道结中所观测到的TMR偏压特性作出了全面的解释．如果隧道结截面积既不太大也不太小，TMR偏压曲线将由直接隧穿与间接隧穿的竞争决定．这是若同时考虑两种隧穿过程的贡献，又可以对近期在具有较大截面积的纳米隧道结中所测得的实验结果作出合理的解释．