自从巨磁电阻发现以来,自旋电子学(Spintronics)就成为凝聚态物理研究的热门方向之一。它是利用电子的自旋自由度,使固体器件中除电荷输运外,还加入电子的自旋。自旋电子学应用包括自旋极化电流的产生、控制和检测。比如通过自旋轨道耦合(Spin orbit coupling)可以简单方便地用外电场或栅压来实现对电子自旋自由度的调控。另外,自从2004年曼切斯特大学海姆(Geim)小组成功分离出单原子层的石墨材料一石墨烯(graphene)以来,单层石墨烯(Graphene)、硅烯(Silicene)和过渡金属硫化物(MoS2)等二维材料在理论和应用领域都引起了极大的兴趣。由于其特殊的六角晶格结构可以看成一个原胞中有两个原子的三角格子(A,B子格自由度),它们的布里渊区中有两个不等价的Dirac点,我们将两个不等价Dirac点附近的能带结构分别称为K和K’谷。类比自旋电子学中对电子自旋自由度的研究思路,在谷电子学(valleytronics)中我们利用谷自由度作为信息载体,通过控制和操纵谷自由度来实现谷电子器件。在本论文中,我们利用Landauer-Buttiker公式和散射矩阵方法从理论上研究了纳米结构中电子的自旋自由度和谷自由度输运性质,为实现电子的自旋极化与谷极化输运提供了一些物理模型。论文的主要内容如下：在第一章中,我们首先简单的介绍一下纳米电子学。接下来对石墨烯和硅烯进行了简单介绍,主要涉及它们的基本物理性质。另外,我们还会开辟一点篇幅介绍自旋电子学与谷电子学的进展。这些将更好帮助我们了解研究背景。另外,我们介绍了本论文中计算电子输运的方法一散射矩阵方法,然后对散射矩阵的性质进行了简单的讨论。最后,借助散射矩阵对Landauer-Buttiker公式进行了详细的推导。第二章运用散射矩阵方法和Landauer-B iittiker公式从理论上讨论了普通/Rashba自旋轨道耦合／普通石墨结构中的自旋输运现象。通过调节Rashba自旋轨道耦合区域的栅压来改变此区域的势垒高度,我们发现当体系中栅压和Rashba自旋轨道耦合同时出现时,自旋分辨的透射概率依赖于入射电子入射角的方向,并且自旋极化效率是入射角的奇函数,而总的透射概率是入射角的偶函数。尤其我们发现可以通过栅压来操控出射流的电子自旋极化率从正到负的变化。这些结果为在石墨烯上实现无需磁性材料的电子自旋注入提供了一个有效的途径。在第三章中,我们研究了非磁性弹道纳米结构中界面自旋轨道耦合和界面势垒对电子自旋极化输运性质的影响。利用模式匹配的散射矩阵方法,我们首先得到了在δ形和方形界面势垒的情况下,隧穿系数与界面自旋轨道耦之间的表达式,然后从数值上分析了隧穿系数与界面自旋轨道耦合和入射角度的关系。最后,在存在界面自旋轨道耦合的纳米结中,我们发现了自旋极化率随着入射角的变化在正负值之间震荡。这个发现为在非磁性弹道纳米结构中实现自旋极化注入提供了有效的方法。第四章节中,从硅烯的有效哈密顿量出发,运用模式匹配的散射矩阵方法,研究了普通/磁场控制/普通硅烯结构中电子的自旋极化和谷极化输运性质。通过数值计算,我们发现运用双栅压可以调控硅烯中电子的自旋与谷过滤。同时发现,当通过双栅压改变硅烯中交错势的符号时,谷极化的方向会翻转而自旋极化的方向保持不变。我们期望,这些发现对用单层硅烯结构设来计谷阀提供了很多有用的信息。在最后一章中,我们对全文的内容做了简单的总结并对未来研究做了展望。