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自旋电子学希望同时利用电子的电荷自由度和自旋自由度，实现功耗更低、存储密度更大、非挥发性的自旋电子学器件，如自旋场效应晶体管、磁性隧道结、磁随机存取存储器等。然而，要制备这些自旋电子学器件，许多基本的物理问题尚需解决，其中包括侧向限制效应对铁磁金属/半导体异质结磁学性质的影响、高自旋极化度铁磁金属材料的生长和磁性质研究、铁磁金属/反铁磁金属之间的磁耦合等。 本论文针对上述问题展开了如下工作： (1)系统地研究了分子束外延生长的Fe/GaAs(001)异质结在侧向限制效应下的磁学性质。利用分子束外延的方法在GaAs(001)衬底上外延生长了5nm、10nm、25nm和40nm四种不同厚度的单晶金属Fe薄膜，然后利用光刻技术将上述连续的Fe薄膜刻蚀成50×5μm2、50×10μm2和50×20μm2三种不同纵横比的条状结构，长边均平行于GaAs[110]方向。样品在[110]、[100]和[1-10]方向上的磁化曲线显示较薄的Fe薄膜在微加工后变得难以磁化。在总结了[110]和[1-10]方向上矫顽力和纵横比的依赖关系后，我们发现厚度为25nm微加工后的Fe薄膜在平行于[110]方向上的矫顽力的变化量最大，15K下由10Oe增加至45Oe，300K下由7.5Oe增加至25Oe。通过综合考虑磁晶各向异性和形状各向异性等因素，我们对上述现象进行了详细的讨论。 (2)系统地研究了在GaAs(001)衬底上分子束外延生长的单晶Co2Fe1-xMnxAl薄膜的结构、磁学和电学性质。X射线衍射测量结果表明在生长温度别分为160℃和280℃下得到的Co2Fe1-xMnxAl薄膜具有相同的晶体结构。然而，通过测量残余磁矩随温度的变化，我们发现在生长温度为160℃的Co2Fe1-xMnxAl薄膜中，随着Mn含量的增加，薄膜的磁学性质变得复杂，而在280℃生长的薄膜则表现出较纯的铁磁性。我们将上述磁学行为归结于Mn-Mn之间的铁磁和反铁磁作用的相互竞争，并利用X射线磁圆二色实验验证了这一设想。最后进一步研究了铁磁性状态下Co2Fe1-xMnxAl薄膜的磁各向异性以及电输运性质。 (3)系统地研究了Fe0.4Mn0.6/CoFeAl双层膜之间的磁耦合作用。利用分子束外延的方法首先在GaAs(001)衬底上外延生长了4nm单晶Co2FeAl薄膜，生长温度为160℃，然后在室温下生长了不同厚度的Fe0.4Mn0.6薄膜，由于Co2FeAl与Fe0.4Mn0.6之间的晶格失配较大(≈38％)，因此Fe0.4Mn0.6为多晶结构。在测量了双层膜结构在不同温度下的磁化曲线后，发现低于200K下双层膜沿[110]方向出现了交换偏置现象，而交换偏置场和矫顽力的大小均随着温度的降低而增大。利用OGrady模型，详细地讨论了交换偏置场以及矫顽力和温度的依赖关系。最后利用改进的Stoner-Wohlfarth模型和X射线磁圆二色实验分别解释和讨论了双层膜在5K和300K下的磁学行为。 (4)设计了侧向自旋阀和自旋场效应晶体管器件并进行了初步加工和性能测试。利用分子束外延方法制备了基于Fe/GaAs异质结的多层膜结构，并利用光刻技术微加工成侧向自旋阀图形。利用分子束外延方法在GaAs(001)衬底上外延生长了变组分的InxAl1-xAs的缓冲层材料，X射线衍射和原子力显微镜实验均表明得到了较高质量的外延层材料。