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基于自旋转移力矩的磁性隧道结（STT-MTJ）在非易失性磁性随机存取存储器中具有潜在的应用价值。与具有面内磁晶各向异性（IMA）的隧道结相比,具有垂直磁晶各向异性（PMA）的隧道结在非易失性磁性随机存取存储器中有足够高的热稳定性和低的自由层磁矩翻转临界电流。相关研究表明以非磁性尖晶石氧化物为势垒,Heusler合金为电极的隧道结有可能同时获得大的界面垂直磁晶各向异性和高的隧穿磁电阻效应。磁性尖晶石氧化物NiFe2O4不仅具有高的磁有序温度和大的饱和磁化强度,而且与典型的铁磁电极材料有小的晶格失配。目前,还没有关于磁性尖晶石/Heusler合金异质结的磁晶各向异性的研究报道。我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Co2FeAl/NiFe2O4超晶格的磁晶各向异性。铁磁半导体Cr2Ge2Te6和CrI3以及铁磁金属Fe3GeTe2和1T-VSe2为代表的二维内禀磁性材料新的合成为探索和研究自旋电子器件提供了一个新途径。最近,二维内禀磁体被用于构建范德瓦尔斯（vdW）异质结和横向异质结来设计和研发高性能的自旋阀,自旋过滤磁性隧道结,横向磁性隧道结和自旋场效应晶体管等自旋电子器件。我们分别设计了以单层铁磁半导体CrI3为势垒,单层铁磁金属1T-VSe2为电极的vdW磁性隧道结和基于二维铁磁材料CrI3和Li0.5CrI3的横向磁性隧道结和范德瓦尔斯磁性隧道结。主要工作如下:1.用四方的超胞构建了Co2FeAl（001）/NiFe2O4（001）超晶格。采用第一性原理计算研究了Co2FeAl/NiFe2O4超晶格的结构和磁晶各向异性。结果表明,超晶格最稳定的界面是NiFe2O4的界面O原子与Co2FeAl的界面金属原子直接对接,这样NiFe2O4的界面O原子和Co2FeAl的界面金属原子在界面处成键。值得注意的是具有Co-NiO1界面的Co2FeAl（001）/NiFe2O4（001）超晶格的垂直磁各向异性能可达到1.07 mJ/m~2,并且超晶格的大PMA主要是由界面的Co原子提供的。同时,界面Ni原子也对超晶格的大PMA有不可忽略的贡献。界面Co原子的磁各向异性的d轨道分解表明,界面Co原子的dz~2和dyz轨道以及dx~2–y~2和dxy轨道的矩阵元差对其PMA提供了大的贡献。此外,由于NiFe2O4的界面O原子和Co2FeAl的界面Co原子成键,界面Co原子的dz~2,dyz,dx~2–y~2和dxy轨道的电子占据情况完全不同于表面Co原子的占据,因此dz~2和dyz轨道的矩阵元差由表面Co1原子的负值变为界面Co1原子的正值,而且dx~2–y~2和dxy轨道的矩阵元差也由表面Co1的正值变为界面Co1原子的更大正值。而dx~2–y~2和dxy轨道的矩阵元差从表面Ni的小负值变为界面Ni的大的正值是表面Ni的IMA转变为界面Ni的PMA的主要原因。2.设计了以单层铁磁性半导体CrI3为势垒,单层铁磁性金属1T-VSe2为电极的vdW磁性隧道结1T-VSe2/CrI3/1T-VSe2。采用第一性原理计算研究了此vdW MTJ的磁各向异性和隧道磁电阻（TMR）效应。研究发现,依据估算的单层铁磁性1T-VSe2和CrI3的磁各向异性场,如果顶电极磁矩被沿[001]轴钉扎,通过对隧道结施加一个大的磁场,可以在隧道结中实现四个磁性组态。当势垒CrI3和底电极的磁矩方向均沿[001]轴时,隧道结的隧穿电导最大;当势垒CrI3和底电极的磁矩方向均沿é?00 1ù?轴时,隧道结的隧穿电导最小。最大电导几乎是最小电导的2倍,所以该vdW隧道结可产生的最大隧穿磁电阻值为178%。我们的计算发现不同磁性组态隧穿电导的大的差异主要是由于不同磁性组态的电极上自旋和下自旋的有效透射通道有大的不同。我们的结果表明,vdW磁性隧道结1T-VSe2/CrI3/1T-VSe2在自旋电子学的多态磁存储方面具有潜在的应用价值。3.设计了以二维铁磁材料CrI3为势垒,二维铁磁Li0.5CrI3为电极的横向磁性隧道结和vdW磁性隧道结,研究了这些磁性隧道结的磁电阻效应。计算结果表明,对于vdW磁性隧道结,电极Li0.5CrI3始终为铁磁半金属,而单层CrI3势垒变为铁磁半金属,这使得vdW磁性隧道结平行态的电导约为0.36 e~2/h,而反平行态的电导只有2.44×10-13 e~2/h,因此vdW磁性隧道结能产生高达1014%的TMR;对于两种横向磁性隧道结,电极Li0.5CrI3为铁磁半金属,而CrI3势垒为铁磁半导体,在平行态的电导分别为1.50×10-03和2.00×10-03 e~2/h,比vdW隧道结的平行态电导小了2个数量级。同时反平行态的电导分别只有9.92×10-12和7.00×10-14e~2/h,这样两种横向磁性隧道结的TMR分别高达1010%和1012%。我们的计算表明基于二维铁磁材料CrI3和Li0.5CrI3的横向磁性隧道结和vdW磁性隧道结在自旋电子学器件方面具有潜在的应用前景。