自旋流和电荷流之间的相互转化一直以来都是自旋电子学研究的重要方向。电荷流产生的自旋流可以实现对磁性材料中磁矩进行有效操控,例如,利用自旋转移力矩或自旋轨道力矩驱动的磁矩进动、畴壁位移、磁矩反转等;自旋流产生的电荷流可以运用到自旋流和磁状态的探测、太赫兹波的发射等,相关现象都是自旋电子器件应用的基础。目前研究的非磁材料主要有两类可以有效地实现自旋和电荷流的转化,一类是重金属材料,另一类是拓扑绝缘体材料。其中拓扑绝缘体由于具有新颖的自旋-动量锁定的拓扑态,其自旋流-电荷流之间的转化相当高效。并且和一般的重金属相比,其能带具有易于调控的特性,为实现高效的自旋流-电荷流转化提供了理想的研究体系。本论文利用分子束外延技术,生长了三维拓扑绝缘体Bi2Se3、拓扑绝缘体异质结、拓扑绝缘体超晶格,通过角分辨光电子能谱及自旋泵浦测量,系统研究了拓扑能带调控与自旋流-电荷流转化机制的关联。主要内容如下:1.采用分子束外延技术在SrTiO3（111）衬底外延生长了拓扑绝缘体Bi2Se3。进一步地,我们在Bi2Se3表面外延生长了 Bi,成功构筑了拓扑绝缘体异质结Bi/Bi2Se3。通过角分辨光电子能谱测量,我们确定了 Bi2Se3中的单一拓扑表面态,并发现Bi/Bi2Se3中的Bi对拓扑表面态的调制以及共存的Rashba表面态。为了探究拓扑能带变化带来的自旋输运改变,我们采用自旋泵浦手段发现Bi带来的能带调控可以极大增强自旋泵浦效应,并且使得自旋流-电荷流转化效率λIEE（λIEE=Jc2D/JS3D,Jc2D为电荷流密度,JS3D为自旋流密度）随着Bi的厚度呈现非单调的变化。结合能带和模型分析,我们揭示了自旋泵浦效应增强以及λIEE非单调变化的能带起源。2.采用分子束外延技术我们分别在Si（111）以及Al2O3（0001）衬底上外延生长了（Bi2-Bi2Se3）低维超晶格。我们通过交替堆叠Bi2和Bi2Se3,首次实现了不同截止面、多周期的低维超晶格结构。结合能带测量和第一性原理计算,我们发现不同的截止面呈现了不同的拓扑态,并且拓扑态随着周期变化而演化。对于Bi2Se3截止面来说,其呈现出双拓扑的特性,既有时间反演对称性保护的拓扑绝缘体态又有镜面对称性保护的拓扑晶体绝缘体态。对于Bi截止面来说,其呈现出单个的Dirac表面态并且在费米能级附近具有巨大的自旋动量劈裂。结合自旋泵浦和自旋Hanle测量,我们发现Bi截止面具有极大的λIEE,达到了 1.26 nm,而Bi2Se3截止面具有相当大的自旋寿命,达到1 ns。随着超晶格周期的增加,我们还发现了电荷转移效应带来的费米能级调控,进而导致了λIEE的变化。除此以外,我们也对CoFeB/Ir中的自旋泵浦效应进行了探究,给出了 CoFeB/Ir的自旋混合电导以及自旋扩散长度,揭示了 Ir被忽视的强自旋-轨道耦合属性。