电子学的发展过程是一个不断追求体积小、性能好而且造价低的电子器件的过程,随着电子行业的不断发展,电子器件的尺寸逐渐接近传统半导体器件的尺寸极限,为了电子行业持续不断发展,研究者们将目光投向微纳电子器件。近年来二维材料的发展,让人们看到了它们在电子器件设计方面的巨大潜力。石墨烯以其卓越的性能,引起了科研工作者的关注,在器件设计方面广泛应用。P-N结在逻辑电路中发挥着重要作用,人们对于P-N结的设计和研究一直非常关注。在二维材料的基础上进行器件设计,可以充分发挥二维材料的优势,设计出性能更加优异的器件。石墨烯具有迁移率高、导热性能好等特性,适合制作低功耗、高性能的器件,但是二维的石墨烯是零能隙材料无法直接用于器件制作。本文利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法研究了硼、氮原子掺杂石墨烯纳米带PN结的电荷输运和自旋输运特性。主要研究内容和结论如下:1.利用硼、氮原子对石墨烯纳米带的左、右电极边缘进行取代掺杂,在考虑掺杂原子的位置和掺杂原子是否氢化的情况下构造了4种P-N结,中间的连接部分采用V字形凹槽的形式。对于硼、氮原子氢化的P-N结,其I-V曲线不仅表现出明显地整流特性,而且表现出负微分电导特性。通过对电极能带、透射谱和MPSH(Molecular junctions Projected Self-consistent Hamiltonian)分析发现,掺杂原子氢化以后,左、右电极的能带分别在费米能级附近形成了较大的能隙,这就使得器件在加偏压以后,随着偏压的变化,偏压窗内会出现能带不交叠的情形,又由于这种不交叠在正负偏压并不是一起出现,也就导致了高整流比整流的出现。左、右电极的能带在偏压窗内没有完全分离以前,随着偏压窗的增大,进入偏压窗的透射峰增多,随着能带的逐渐分离进入偏压窗的透射峰减少,强度也逐渐减弱,导致电流随着偏压的增大而逐渐减小,并出现明显的低偏压负微分电导现象。2.通过自旋密度分析可以得到掺杂的石墨烯纳米带具有铁磁性,作为电极可以进行自旋输运特性研究。从零偏压的透射谱中可以看到自旋向上和自旋向下的透射峰发生明显地自旋分离,在I-V曲线中表现出自旋过滤和自旋整流。通过偏压下自旋相关的透射谱、能带和MPSH分析发现,硼、氮原子掺杂以后的石墨烯纳米带电极能带发生自旋简并分裂,低偏压下的透射谱产生明显地自旋透射峰分离,边缘的硼原子形成自旋向上电子局域态,导致偏压窗内互相重叠的自旋向上能带对电子透射没有贡献,使得掺杂硼原子的电极自旋向上能带的能隙在费米能级附近变大,比自旋向下的能带能隙大的多,进而导致了自旋过滤和自旋整流的出现。论文一共分为五个章节,第一章前言,主要介绍了目前低维输运体系的研究现状,以及基于石墨烯的P-N结研究现状;第二章是理论方法,介绍了研究低维体系电输运性质的理论方法;第三章主要讨论和分析了石墨烯纳米带P-N结中的高整流比整流和负微分电导现象;第四章主要讨论了硼、氮原子掺杂在石墨烯纳米带器件中诱导产生的自旋过滤及自旋整流现象;第五章为总结展望。