如今大数据时代背景下,信息存储和安全与人们息息相关。研究者们正在致力于解决信息存储所面临的巨大挑战,例如,如何进一步地扩大器件的存储密度,缩小器件的尺寸,降低器件的功耗,提高存储的稳定性。磁性纳米材料是制备低功耗、非易失的信息存储器件的优秀候选者,其中所蕴含的丰富的物理机制着实引人入胜。基于该研究背景,本论文将聚焦低维纳米材料体系中磁性、磁各向异性以及磁电耦合效应等磁学方面的研究,结合第一性原理计算和数学解析等方法,深入学习相关现象和效应的物理根源和本质,从而指导新型信息存储材料的研究和器件设计。本论文从该课题的研究历史和现状出发,在第一章绪论部分介绍和回顾了包括电学手段起主导作用的电控磁技术、磁电耦合效应、单原子自旋等自旋电子学领域中重要技术的发展过程,阐明课题的研究意义和大致方向。紧接着,通过回顾多体问题演变成单电子求解的发展历程,于第二章阐述了本论文主要的研究手法,即基于密度泛函框架下的第一性原理计算,其作为核心研究手段贯穿整个论文工作之中。在磁性纳米存储体系中,单原子自旋系统有望实现新一代的原子级磁存储极限。第三章将致力于研究Mn、Fe和Co等过渡金属原子掺杂对单层过渡金属硫化物WS₂的磁性调控。利用第一性原理计算,我们发现当Co原子掺杂在W空位时,体系会产生30meV左右增强的垂直各向异性。结合微扰理论和数值解析方法,我们揭示了自旋-轨道耦合强度、以及不同元素产生的不同交换劈裂能所引起的能级重组,都会导致磁各向异性能的显著变化。同时,我们还计算了掺杂对单层WSe₂、WTe₂、MoSe₂和MoTe₂等二维材料的磁性、磁各向异性影响。该研究为将来设计具有单原子自旋系统的磁存储器件奠定了理论基础。随着电学手段的发展,电控磁技术逐渐成为信息存储材料和器件研究的主要方向之一。第四章中,我们围绕该技术展开,利用简单电沉积方法并采用离子胶材料形成双电层结构,设计并制备一个同轴圆柱型Ni/Cu自旋电容器器件。然后,我们从实验表征和理论计算两方面对该器件的电控磁效果进行研究,发现正是基于铁磁层的表面磁电耦合效应使得体系的磁矩发生显著变化,并且该效应可以通过减薄铁磁层厚度以及增加Ni/Cu丝的数量来增强。相较于传统电容器,该Ni/Cu自旋电容器器件能同时存储电荷和自旋,并且可以在室温下正常工作,在自旋电子学领域具有广泛的应用前景。令人感到有趣的是,在对上述实验进行计算模拟的过程中,我们发现Ni/Cu界面处也存在着微小的磁电耦合效应。因此,在第五章的工作中,我们带着这一疑惑,对铁磁金属和非磁金属构成的复合结构进行研究。通过建立简单的Ni/Cu内部微观模型,阐明了产生界面磁电效应的原因以及金属内部电荷和自旋如何在外加电场下产生变化,证实了多层膜结构的确会产生较为复杂的磁电效应现象。进一步地,我们思考如何增强该界面效应,并展望未来新型的基于磁电耦合叠加效应的器件模型。该工作拓宽了第四章的研究内容,丰富了磁电多层膜结构中电控磁技术所蕴含的物理机制,为设计基于电控磁技术的存储器件提供了新思路。最后,第六章我们总结上述的所有工作,并对未来磁性存储和信息功能器件的研究进行了展望。通过这一系列对低维材料体系中磁性及磁电耦合效应的研究,我们对其调控的方法和手段,影响的因素和程度,以及材料的基础物性会有更深刻的认识。相信这些研究都将推进自旋电子学及新一代信息存储器件的发展,使其朝着更高集成密度和更低功耗等目标不断迈进。