电子信息时代,电子材料日新月异,器件推陈出新。电子器件速度快、能耗低、体积小等特性成为研究追求的目标。然而当晶体管尺寸进一步减小,电流产生的热耗散问题难以解决,量子隧穿效应开始显著,摩尔定律逐渐失效。利用电子的另一属性——自旋有望解决热耗散和漏电的难题,实现新型高速、低功耗、非易失晶体管。本论文主要研究对象是拓扑绝缘体的自旋阀及磁传感新原理器件。我们聚焦于拓扑绝缘体表面态的自旋动量锁定,研究其在自旋电子学中的自旋电学器件应用。选取拓扑绝缘体的原因在于一下几点:拓扑绝缘体有着高迁移率,低功耗,背散射几率小等基本性质,在电学上具有一定的应用前景。而且拓扑绝缘体是类似于石墨烯层状材料,我们可以降低它的维度,来满足器件日渐小型化的需求。另外拓扑绝缘体表面态独特的自旋性质——自旋动量锁定,有望实现对传统铁磁性材料的颠覆。传统的铁磁性材料需要磁场来实现自旋极化,而在拓扑绝缘体中自旋极化完全是电学实现的。这使得拓扑绝缘体更适用于大规模电学逻辑电路的应用。主论文主要介绍了拓扑绝缘体中表面态基本磁输运性质、拓扑绝缘体自旋阀器件,拓扑绝缘体相变体系的输运研究及这些器件在磁传感中潜在的应用。本论文研究成果可总结为如下三个部分:（1）基于BiSbTeSe₂拓扑绝缘体的新型自旋阀晶体管。高迁移率的拓扑绝缘体样品BiSbTeSe₂（～4039 cm2V-1s-1）是实现新型自旋阀器件中电流开关功能的基本保障。在拓扑绝缘体自旋阀中,扫磁场以改变Ni21Fe79电极的磁化方向时,我们的自旋阀晶体管的输出表现出了一种明显的台阶状的行为。最重要的是,当反转直流电流的方向时,开（低阻）关（高阻）状态甚至可以切换。基于拓扑绝缘体的自旋电子管晶体管,可以通过改变电流方向来切换开关状态。因此适用在磁性传感器和自旋逻辑电路上,并且拓扑绝缘体有潜力作为创新的电流驱动的自旋发电机。（2）拓扑绝缘体的拓扑量子相变引起了凝聚态物理和未来器件应用的高度关注。通过In的掺杂,在（Bi0.92In0.08）₂Se₃中实现了拓扑量子相变,并研究了拓扑临界点附近的单晶输运特性。在低场（<3T）下,依据洛伦兹定律,单晶的平均迁移率达到～1000cm2V-s-1,并且保持到50K。2K下,从～5T开始出现明显的量子振荡,揭示了单晶中的迁移率高达～1.4×104 cm2V-1s-1。朗道范图中接近π的贝利相位证明了拓扑狄拉克费米子的存在。该特性使（Bi0.92In0.08）₂Se₃成为拓扑绝缘体量子相变研究的一个合适的平台。（3）基于x = 0.08的组分,非磁性（Bi1-xInx）₂Se₃的三维全空间矢量磁传感原理性器件。面内（a-b）的负磁阻呈现出一个哑铃形,具有二重对称性。垂直场（c）下呈现出大的正磁阻。2K温度下,3个方向的磁阻比大约为-3%（a）:-1%（b）:300%（c）。通过对厚度和组分相关的磁传输测量,我们推断在拓扑临界点附近,由于拓扑相变,体的带隙减小,上下表面耦合增强,从而产生了奇异的磁电阻现象。现象在室温下仍然存在,因此在新型室温自旋电子学领域有着潜在的应用,例如,矢量磁力传感器。