传统电子器件的微型化已经越来越接近量子极限,摩尔定律面临重大挑战,因此工业界开始关注新兴技术的发展动向。自旋电子学将电子自旋相关效应与传统的微电子学相结合,为下一代全新功能的微电子器件的研发指明了方向。探索理想的自旋电子学材料,研究其自旋相关物理性质,进而开发全新功能的自旋器件,成为了当前研究的热点。锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)由于具有独特的边缘效应,即自旋极化边缘态,利用这一磁学性质可以设计一些新奇的自旋电子器件,因此备受人们的关注。我们通过第一性原理计算研究了褶皱对含双空位缺陷的ZGNR的自旋极化边缘态及其电学性质的影响。结果发现,随着纳米带褶皱幅度的增大,系统经历了反铁磁→铁磁→无磁性的磁性相变。相应地,系统的电学性质经历了半导体→金属→半导体的转变。如果将纳米带沉积在处于拉伸状态的某种特殊弹性衬底上,通过缓慢释放和再度拉伸可以对褶皱进行控制,进而实现对纳米带自旋极化边缘态和电学性质的调控。虽然ZGNR作为自旋电子学材料有潜在优势,但是直接利用ZGNR的自旋极化边缘态还存在困难。一方面很难制备完美的ZGNR;另一方面这种边缘磁性容易受缺陷或杂质等因素的影响而遭到破坏。因此,如何才能有效实现石墨烯中电子的自旋极化,并且能够对其自旋状态进行良好的控制,是一个非常值得研究的问题。考虑到扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)具有丰富的电学性质,且完美的AGNR已经可以在实验上制备,如果能够使其产生自旋极化,将来就有可能在自旋电子学方面得到应用。为此,我们利用线性响应理论研究了 Rashba自旋-轨道耦合(RSOC)作用下AGNR在外振荡磁场中的自旋磁化率。结果表明:通过改变纳米带宽度,或外场频率,或RSOC强度,使得满足共振条件而引起电子在Rashba自旋劈裂子能带间发生跃迁,改变系统沿磁场方向的自旋取向分布,这样就可以实现AGNR中的电子自旋在室温下的有效磁化。而且,在这个过程中自旋磁化率的大小也可以通过不同的共振频率或RSOC进行控制。该方案完全不存在电导不匹配问题,因此可以有效解决自旋注入效率低下的问题。自旋极化载流子成功注入到石墨烯以后,要实现应用我们还必须研究自旋输运与调控问题。为此,基于狄拉克理论我们研究了 RSOC作用下准带状单层石墨烯中的克莱恩隧穿现象,得到了透射系数的解析解。在透射系数的基础上,我们进一步推导了自旋相关电导,研究了透射电子的自旋极化。通过改变门压势垒或RSOC强度,我们可以对自旋输运和透射电子的自旋状态进行有效的调控。在此理论基础上我们提出了一种门压可控的多功能自旋器件,既可以用作晶体管,也可以用于自旋过滤或电子束准直等。此外,由于石墨烯中的自旋相干时间较长,因此其自旋还可以作为理想的固态量子比特。基于有效自旋理论,我们研究了处于温度为T的热库下的手性石墨烯纳米带中的量子纠缠与量子失谐,讨论了温度,纳米带宽度,自旋粒子间的相对位置,以及电子间排斥势对量子关联的影响。结果发现在室温下,较窄的纳米带中最近邻反铁耦合的自旋粒子间的量子纠缠几乎接近于最大纠缠。进一步我们利用该热纠缠态来实现纠缠态的隐形传输。从理论上阐明了成功实现纠缠态的传输,量子通道的纠缠度和输入态的纠缠度之间必须要满足的关系,从而揭示了在基于石墨烯这样的固态系统中进行量子信息处理的可能性。