自旋电子学是一门除了利用电子电荷外,还利用电子自旋和它相关的磁矩来控制固态器件中的导电性及信息处理的新领域。自旋电子学利用电子自旋传输信息的性质为其在信息技术的应用中带来了巨大的优势,比如数据处理速度更快、电路集成度更高、能耗更低。目前已经具有一些自旋电子学器件得到了广泛使用,例如自旋阀、非易失性存储器件、读出磁头等等。然而,在自旋电子学器件中,自旋如何产生和注入、自旋传输过程中受到的自旋弛豫与退相、自旋的控制和探测等一直都是自旋电子学发展过程所面临的巨大挑战。为了解决这些问题,人们试图找到理想的自旋电子学材料。目前已经使用过的自旋电子学材料包括铁磁金属、磁性半导体、稀磁半导体等,但是这些材料均未达到理想效果,比如铁磁金属很难实现高效的电子注入,磁性半金属的合成困难,稀磁半导体铁磁转变温度低等等。随着集成电路元器件小型化程度越来越高,量子相干效应变得越来越明显,体材料越来越不能满足需求。这时具有原子层厚度的二维材料就显得特别具有优势,因为其不仅具有轻薄、柔韧性好、小尺度下较体材料更稳定等二维材料本身的优势,也具有集成方便(由二维材料构成的范德瓦尔斯异质结不要求晶格匹配,也可任意角度堆叠)的优势。在这些二维材料中,石墨烯由于其固有的自旋轨道耦合较弱,电子自旋传输的平均自由程较长,已被确定为自旋电子学的理想材料。另外,对于自旋电子学来说石墨烯还有许多其他优越的性质,比如高载流子迁移率,高热导率等。然而,石墨烯本身是非磁性的,这就限制了其在自旋电子学中的应用,因此必须对石墨烯进行一定的改造。基于以往研究石墨烯磁性的工作和最近两个突破性实验:全氢化石墨烯成功被制得和使用催化扫描探针光刻法可移去氧化石墨烯中的氧原子形成纳米条带的石墨烯结构,我们提出了一种新的基于石墨烯的磁性材料一半氢化石墨烯纳米条带(HHGNRs),这种材料是由一个半氢化的石墨烯纳米条带嵌入到全氢化的石墨烯中形成的。使用第一性原理DFT理论计算,HHGNRs的能带结构是完全自旋极化的,同时也展现出双极性铁磁半导体的性质,并且这种双极性铁磁半导体性质非常稳定,不依赖于HHGNRs的宽度及取向。与之前提出的基于石墨烯的磁性材料的大多数设计(磁性严重依赖于边缘态,并且容易受到化学污染或者结构缺陷的影响从而导致磁性的消失)形成鲜明的对比。我们还提出了一种基于HHGNRs的全电子可控的电子学器件设计,也可用该设计检验HHGNRs的双极性铁磁半导体的性质。多铁材料指的是同时具有不止一种的基本铁性质(铁电性、铁磁性、铁弹性)的材料。其中同时具有铁电性和铁磁性的磁电多铁材料因为在其磁电耦合效应下可实现磁控电或者电控磁的性质备受关注,尤其是电控磁的性质允许在信息读取或写入的时候使用电场代替产生磁场的电流,这样就减小了器件的尺寸和能量损耗,同时也提高了器件的响应时间。但是在数量多、历史悠久的第Ⅰ类多铁材料中,铁电性和磁有序的产生来源不同,磁电耦合非常弱,在这类材料中很难实现电控磁或者磁控电的性质。在第Ⅱ类由自旋引起的铁电性的非直接多铁材料中,自旋是铁电性产生的原因,所以磁电耦合强度很大,在低温度下可实现磁控电的性质,而电控磁却还是不被允许。至今具有强的磁电耦合的可实现电控磁的多铁材料仍然是个难题。由于二维材料具有如此多的优点,人们总是期待在二维材料中实现更多的性质。虽然多铁材料的研究已经有很多年了,但是磁电二维多铁材料的研究却很少。这里我们提出了一种新的二维多铁材料,该材料是通过向二维铁电材料In2Se3中稀掺入过渡金属磁性杂质实现的,并且被预测具有强的磁电耦合性质。在铁电材料In2Se3中,存在两个具有不同对称性的不等价的In位点供磁性杂质替代,这两个In位点可以在外电场的作用下互换,而不同的In层中的磁性杂质具有不同的磁有序,并且系统的磁性质能够随着外电场下系统电偶极子的翻转而改变。通过这种方式,在一定温度下,同个样品可由外电场的调节实现铁磁态与顺磁态之间相互切换。使用密度泛函理论计算,我们已经确定Mn和Co为在这种二维多铁体系中磁性掺杂的理想选择。该二维多铁材料为实现二维材料多铁性质提供一种良好途径。因此本文第一章围绕自旋电子学、二维材料和多铁材料做了相关的阐述。第二章对本文所用的计算方法做了简要的介绍。第三章主要是介绍了石墨烯纳米条带中稳定铁磁和双极性半导体的理论设计。第四章阐述了基于二维铁电材料In2Se3的二维多铁材料的理论设计。最后,第五章对该论文进行了总结以及展望。