追求高的自旋极化度,特别是获得完全自旋极化输运（半金属性）和纯自旋流是自旋电子学中要解决的两大理想目标。新兴起的二维材料由于其诸多独特性质而获得了广泛关注,并被认为是在未来的电子器件中取代现有硅材料的一种理想材料。在这样两个背景下,如何将自旋电子学与二维材料结合,特别是,如何在二维材料中实现完全自旋极化输运和纯自旋流,成为近十多年来人们关注的焦点问题。具有锯齿形边沿的石墨烯纳米带和SiC纳米带由于存在边沿态和边沿磁矩,被认为是实现这两大目标的重要候选者。因此,到目前为止人们已经提出了多种方案来在石墨烯纳米带中实现完全自旋极化输运和纯自旋流。例如,在如何实现完全自旋极化输运方面,加州大学伯克利分校的S.G.Louie等最先提出了通过施加横向电场的方案,后来中科大杨金龙教授等提出在纳米带边沿分别修饰-NO2和-CH3分子团,印度的S.Dutta小组提出用h-BN锯齿形替换纳米带中间的锯齿形C链等。然而这些研究都忽视了一个重大问题:要么所需要的外加电场实在太高,实验室根本不可能达到;要么提出的化学修饰方案使得体系中的铁磁态和反铁磁基态之间的能量差太小甚至几乎可以忽略,而半金属性仅能在反铁磁构型下存在,从而造成预测的半金属性在有限温度下实际上根本观察不到。此外,在如何利用二维材料实现纯自旋流方面,目前主要采用自旋依赖的Seebeck效应和光学伽伐尼效应等两类方法。我们重点关注光学伽伐尼效应方法,其目前存在的最主要的问题是,当前已经报道的研究方案中仅能在某些特定的能量点或偏振角处可以得到纯自旋流,而这需要精确调节光子能量到特定能量处或特定偏振角处,在实际上操作起来会非常困难。尤其困难的是,我们事先无法从已知的几何结构判定在哪个光子能量或偏振角处会观察到纯自旋流,这使得纯自旋流的获得具有极大的偶然性。因此,如何克服上述缺点依然是当前二维材料中实现完全自旋极化输运和纯自旋流的重要挑战。本论文针对如何调控二维材料的自旋极化输运这一科学问题,利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,提出实现完全自旋极化输运和纯自旋流的新方案。主要研究内容如下:1.在锯齿形SiC纳米带中利用掺杂实现100%自旋极化输运。我们提出在SiC纳米带中利用一个N原子替换一个边沿C原子,将可以阻断纳米带中边沿为C原子的一侧的边沿通道,同时保持边沿为Si原子一侧的边沿通道完全不受影响,从而无论其磁构型怎么变化,最终都将只有一种自旋参与输运,实现100%自旋极化输运。这一思想打破了以往研究中纳米带两侧边沿通道必然同时参与输运的思维局限,有效的拓宽了二维材料的应用范围和应用方式,为二维材料在自旋电子学中的应用提供了新的思路。2.利用h-BN/graphene/h-BN垂直异质结构作为电极实现完全自旋极化输运。基态下的锯齿形石墨烯和h-BN纳米带都是自旋简并体系,不能直接用于自旋极化输运。我们的研究发现,当把二者以AA方式堆叠时,h-BN所产生的stagger势将可以打破锯齿形石墨烯纳米带的自旋简并,使得一种自旋的带隙由本征纳米带的0.63 eV大大减小（0.28eV）,另一种自旋的带隙大大增加（0.82 eV）。以这样的范德瓦尔斯垂直异质结构作为电极,单层石墨烯纳米带作为中心区的器件中,透射系数间隙（transmissiongap）仅为0.28eV,因而可以在低偏压下实现完全自旋极化输运。通过对范德瓦尔斯异质结构的电极施加垂直压力来调节stagger电势的强度可以进一步调节电流电压特性的阈值电压。最后,通道长度的增加将大大减小费米能级附近的透射系数,透射间隙最终将恢复原始锯齿形石墨烯纳米带的带隙值（0.63 eV）。这些发现证明了范德瓦尔斯异质结构在自旋电子器件设计中的重要意义。3.在h-BN/graphene/h-BN垂直异质结构中利用光照获得完全自旋极化电流。在h-BN/graphene/h-BN垂直异质结构中,由于h-BN纳米带所产生的stagger势的作用导致graphene纳米带中的自旋简并被打破,使得一种自旋的能带靠近费米能级,另一种自旋的能带远离费米能级,因此,通过光照并合适选择光子的能量,可以只把一种自旋的电子从价带激发到导带,再辅以一个小的偏压,将使得这种自旋的电子产生定向流动,形成完全自旋极化电流。该方案非常鲁棒,因为无论垂直于纳米带施加压缩或拉伸应变,还是相对于石墨烯纳米带在平面内平移h-BN层,我们总是能获得完全自旋极化输运。该方案克服了传统的仅利用电场或化学修饰在锯齿形石墨烯纳米带种获得自旋极化输运长期存在的困难,为石墨烯纳米带在自旋电子学领域的应用开辟了一条更加可行的途径。4.在具有空间反演对称体系中利用光学伽伐尼效应实现纯自旋流。以往利用光学伽伐尼效应获得纯自旋流的方案中,材料或器件的结构必须具备空间反演对称破缺,其缺点是纯自旋流只能在某些特定参数下得到。我们提出一种全新的方法,通过把具有自旋半导体属性的二维材料纳米带设计成具有空间反演对称的隧道结,那么用光垂直照射器件后,一定能产生纯自旋流,并且完全不依赖于光子能量（需要高于某个阈值,即spingap）、偏振角和偏振类型。具体来说,这一想法通过在扶手椅型的纳米带中对称的引入具有等边三角形的锯齿形边沿的反量子点来实现。在这一结构中,几何结构空间反演对称,自旋密度关于反演中心反对称,两边电极的能带自旋指标互换,保证了光照一定会产生纯自旋流,且不依赖于光子能量和偏振角,从而更有利于实际应用。