2004年,英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov以石墨为材料,通过机械剥离法获得了单分子层材料—石墨烯,这一创举在当时轰动了全世界,它的成功让人们重新认识到二维材料是可以单独、稳定存在的。获得的单分子层材料—石墨烯不仅改变了人类的认知,同时由于其独特的力学性质、热学性质、磁学性质和电学性质等,让石墨烯成为当下纳米科技材料的研究首选,吸引了众多者来研究石墨烯及它的衍生材料。2010年,Geim和Novoselov被授予了诺贝尔物理学奖,以表彰他们的突出贡献。由于石墨烯具有高的载流子迁移率、弱的自旋轨道耦合和长的自旋弛豫时间等这样一些特殊的性质,近几年来,越来越多的研究人员关注于石墨烯的磁性研究。我们知道,金属的磁性主要是由于d层或者f壳层的电子具有未填满的自旋磁矩,而碳族材料通常不呈现磁性,也就是说完美的石墨烯是没有磁性的,但是可以通过掺杂别的原子来替代碳原子或者产生空位缺陷等方法来诱导石墨烯产生磁性。本研究通过对锯齿型石墨烯-氮化硼纳米带（ZGNRs-ZBNNRs）特定结构中电荷的输运性质进行了研究,运用密度泛函理论、非平衡格林函数的计算公式,并结合第一性原理方法,通过在锯齿型石墨烯-氮化硼纳米带上引入空位或者外加栅极电压的方式,调控体系的电子自旋,从而产生自旋极化电流。本论文主要研究内容如下:1.氮空位（N）或硼空位（B）的条件下,石墨烯—氮化硼纳米带异质结中电子自旋的输运性质。首先,锯齿型石墨烯纳米带（ZGNRs）的导带和价带之间是零能隙,而氮化硼纳米带（ZBNNRs）的导带和价带之间的能隙是4.5 e V,如果将两者掺混到一起,就可以实现石墨烯零能隙的开启,从而成为一个半导体。因此我们设计出了（ZBNNR）m–（ZGNR）n纳米带异质结,经过计算不同模型的透射谱,得出（ZBNNR）4–（ZGNR）4和（ZBNNR）5–（ZGNR）3二电极系统具有1.5 e V2e V的带隙,属于半导体特性材料,在这两个模型的基础上,我们做了进一步的改进,通过去除掉N原子或者B原子来产生空位,分析N或B空位条件下,整个体系中电子自旋输运发生的变化。我们分别研究了空位的种类（N空位和B空位）和空位的位置对体系电子自旋输运性质的影响,从计算结果中可以发现:N空位或者B空位的存在,对锯齿型石墨烯-氮化硼纳米带异质结的自旋输运性质有着重要的影响。如果给定的（ZBNNR）4–（ZGNR）4和（ZBNNR）5–（ZGNR）3异质结模型中没有N空位或者B空位,电子自旋向上和向下所产生的电流是重合的,没有自旋极化现象出现;但是当（ZBNNR）4–（ZGNR）4和（ZBNNR）5–（ZGNR）3异质结模型中有N空位或者B空位时,就会有自旋极化现象出现,并且当异质结中的空位种类是N空位时,还会有自旋负微分电阻现象（SNDR）出现;如果空位种类是B空位时,就不会出现该现象。当两种纳米带异质结的上边缘存在N空位时,自旋向下的电流要大于自旋向上方向的电流;反之,当N空位处于（ZBNNR）4–（ZGNR）4和（ZBNNR）5–（ZGNR）3纳米带异质结的下边缘时,自旋向上的输运通道是主要的通道。从计算中还可以发现,当有N空位时的电流值要远远大于B空位时的电流值;并且不论空位是N空位还是B空位,当空位出现在石墨烯-氮化硼纳米带的中心位置时的电流值要远大于空位出现在石墨烯和氮化硼纳米带的接缝位置时的电流值。根据上面计算所得到的结果,预计我们所研究的模型器件会对自旋电子学器件和纳米电子器件的设计有一定的理论指导作用。2.研究当（ZBNNR）5-（ZGNR）3纳米带异质结含有B空位时,利用栅极电压对纳米带进行调控,主要研究它对电子自旋输运性质的作用,同时运用密度泛函理论、非平衡格林函数的方法来计算电流值。没有栅极电压时,此模型的电流值非常小,有比较大的开启电压,自旋极化电流特别小,并且没有自旋负微分电阻现象出现,是一个典型的半导体特性材料。反之,有栅极电压时,此模型出现了整流、自旋过滤的现象。当外加正向栅极电压时,对输运性质有比较大的调节作用,但是自旋极化现象比较弱。从相应的态密度谱中也可以看出,此时的电子态密度主要局域在左侧ZGNRs上的C原子上,在整个中心散射区中是局域的,整个通道不导通,因此电流值比较小。反之,负向栅极电压作用时,其出现了自旋极化现象。这是因为负的栅极电压对自旋向上的电荷起到抑制作用,而对自旋向下的电荷起到促进作用,从而产生了自旋极化现象。从相应的态密度谱中可以看出,自旋向下电子的态密度主要分布在中心散射区的氮化硼纳米带上,而且中心散射区部分空位周围的N原子和B原子的态密度是扩展的,从而作为纳米带上电子的透射通道,是导通的,电流值比较大。从计算结果中还发现,当外加栅极电压是-4 V,偏压是0.3 V时,对于自旋向上的通道,整流比最高可以达到RR=44。高的整流比和自旋负微分电阻现象表明这个模型对自旋电子学领域器件的设计会有一定的理论指导作用。3.研究了单phenalenyl分子、Au-phenalenyl-Au分子器件（金电极构成）结构在栅极电压的作用下,其电子输运的特性。同时设计两种不同的接触方式,对其电子输运的性质进行了探讨。phenalenyl分子与金电极的两种接触方式分别是:中心分子的两个二近邻原子与金电极相连;另一种是中心分子的一个二近邻和一个三近邻原子和金电极相连。当中心分子的两个二近邻原子与金电极相连时,体系是一个对称的结构,随着外加栅极电压的增加,对电流会有抑制作用,且正负偏压下的电流值是对称的,没有整流现象。当金电极同时与中心分子的二近邻、三近邻原子接触时,此时体系是一个不对称的结构,其正偏压下的电流随着外加栅极电压的增加而增大,但是负偏压下的电流值不存在这种正相关变化,由此产生了正负偏压下电流的不对称,形成了整流现象。这与传统的观点是相对应的,传统的观点认为体系如果具有不对称性,那这样就可能产生整流现象,这个模型可以为我们以后设计分子整流器件提供理论依据。