拓扑绝缘体中由于存在非常强的自旋轨道耦合,导致其表面态电子的自旋自由度和轨道自由度之间完全绑定,形成手性电子,由此而出现一系列新奇的物理现象。本论文工作主要在低温下研究了Bi2Se3和Bi2Te3材料中电子自旋进动的门电压调控和超导邻近效应等问题。这些问题分别是利用拓扑绝缘体实现自旋电子学器件和拓扑量子计算所涉及到的关键物理问题。主要研究内容如下:　　 第一章首先介绍了拓扑绝缘体的研究背景,主要包括:二维拓扑绝缘体、三维拓扑绝缘体及其输运研究。然后,我们介绍了本论文的研究动机。　　 第二章介绍了三维拓扑绝缘体单晶和纳米线的生长。我们利用Bridgman方法生长了高质量的Bi2Se3和BhTe3单晶,利用化学气相沉积方法生长了Bi2Se3纳米带、纳米薄片和Bi2O2Se纳米线。　　 第三章介绍了Bi2Se3方形环和Bi2O2Se纳米线两种结构中的Aharonov-Casher(AC)效应。我们利用微加工手段制作了Bi2Se3方形环阵列,低温下观测到Aharonov-Bohm(AB)、Altshuler-Aronov-Spivak(AAS)和AC效应,实现了自旋干涉的门电压调控,并且,这种调控能力是目前实验上同类器件中最高的。我们将类似的研究拓展到Bi2O2Se纳米线中,同样得到了非常有意义的实验结果。　　 第四章介绍了Pb-Bi2Te3结的超导邻近效应。理论预言在s波超导体和拓扑绝缘体界面可出现类似于px+ipy对称性的超导电性,并且在其磁通芯中出现Majorana费米子。我们制作并研究了Pb-Bi2Te3-Pb的平面结和三明治结,发现平面和垂直方向都有很强的超导邻近效应。在此基础上,我们研究了基于Bi2Te3的超导量子干涉器(SQUID),看到很好的宏观量子干涉和衍射现象。　　 第五章介绍了Bi2Se3中的三维和二维Shubnikov-de Haas(SdH)振荡。我们在45 T磁场下研究了不同磁场方向的磁阻,发现了一种来自三维载流子和两种来自二维载流子的SdH振荡,说明体态、拓扑表面态和表面量子阱态共存。　　 第六章对本论文的工作进行总结和展望。