自旋电子学是一门以固体材料中电子的自旋自由度作为信息载体与研究对象的学科，其中一个重要的分支为半导体自旋电子学。半导体自旋电子学涉及到半导体中自旋极化的产生、维持、操控以及探测等多个方面，而自旋极化的动力学性质对这些目标的实现都是十分关键的。本论文主要讨论Ⅲ-Ⅴ族半导体以及由其衍生的铁磁半导体中体材料的动力学性质，具体包括Ⅲ-Ⅴ族半导体中的g因子、载流子自旋弛豫时间以及铁磁半导体的载流子自旋寿命和磁矩运动方程等。　　 我们首先概述了自旋电子学的背景并简单回顾了文献中对半导体中电子自旋弛豫的研究，然后仔细介绍了半导体中空穴自旋弛豫的实验与理论方面研究进展。接着，我们介绍了铁磁半导体中的能带理论、超快动力学研究以及理论上描述磁矩演化的Landau-Lifshitz-Gilbert方程的发展，并重点介绍了方程中的Gilbert阻尼系数以及非绝热参数的理论研究。　　 在论文的第二章中，我们讨论了一些常见半导体材料中不同能谷的自旋轨道耦合与g因子。我们用k·p理论得到自旋轨道耦合形式并比较文献中用k·p理论、紧束缚模型以及第一性原理计算等方法确定的常见Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的自旋轨道耦合系数。此外，我们还介绍用k·p理论计算g因子的方法并在第三章中利用这种方法计算了闪锌矿结构GaAs与AlAs体材料中最低导带L谷以及GaN中最低导带X谷的g因子。我们发现GaAs与AlAs的L谷g因子具有明显的各向异性，而GaN的X谷g因子则基本是各向同性的。其中X谷的g因子数值与L谷的横向g因子都近似等于自由电子g因子。接着我们利用sp3d5s*紧束缚模型计算导带自旋劈裂，从而得到GaN中X谷的自旋轨道耦合系数0.29eV(A)，它比用sp3s*模型得到的结果要大一个量级。　　 第四章中，我们首先给出了半导体体材料中的动力学自旋Bloch方程。我们通过分析导带、价带之间的耦合并结合collinear表象与helix表象之间的变换解释了Dyakonov-Perel与Elliott-Yafet两种电子自旋弛豫机制的来源，并介绍了引起Bir-Aronov-Pikus自旋弛豫的电子-空穴自旋交换散射项。对于空穴系统，考虑到费米面附近轻、重空穴之间的能量劈裂，我们忽略轻、重空穴之间的关联，把helix表象的运动方程约化成关于轻、重空穴两部分密度矩阵的形式。我们把这种做法下由散射项直接导致的自旋弛豫统一归为空穴的Elliott-Yafet自旋弛豫机制，而把依赖于轻、重空穴带自旋进动的自旋弛豫过程称为Dyakonov-Perel’自旋弛豫过程。　　 从第五章到第八章，我们利用动力学自旋Bloch方程方法具体研究GaAs与铁磁GaMnAs体材料中的自旋/磁矩动力学性质。在第五章中，我们分析了实验上测得的n型材料电子自旋弛豫时间在低温下的浓度关系。通过计算光激发导致的热电子效应，我们证实实验上观测到的弛豫时间极大值是由简并、非简并极限的过渡导致的，与此前的理论预言一致。　　 第六章，我们利用动力学自旋Bloch方程研究了本征型与p型GaAs体材料中的空穴自旋弛豫。在我们的计算中包含了诸如空穴-杂质、空穴-声子、空穴-电子以及空穴-空穴等所有相关的散射。由于波函数与自旋劈裂能量都由对角化Kane哈密顿量得到，因此我们可以较为准确的描述波函数混合引起的Elliott-Yafet自旋弛豫以及由自旋进动引起的Dyakonov-Perel’自旋弛豫的贡献。我们发现Elliott-Yafet机制始终是空穴的主要自旋弛豫机制，这与价带自身的强自旋轨道耦合有关。在本征材料中，我们在室温下得到的空穴自旋弛豫时间为110fs左右，与之前的实验结果符合得很好。我们的计算结果表明以往文献中遗漏的轻、重空穴的带内自旋关联(helix表象密度矩阵的非对角项)以及空穴与光学声子的非极化相互作用都是十分重要的。进一步，我们仔细讨论了不同温度、浓度下的空穴自旋弛豫时间。我们发现随着温度降低，空穴的自旋弛豫时间可能延长一个量级以上。我们发现自旋弛豫时间在高温下随浓度上升单调下降，而低温下却呈现先上升后下降的非单调行为，这与库仑散射在简并、非简并极限下的不同行为有关。在p型材料的研究中，我们也预言了空穴自旋弛豫时间丰富的非单调温度、浓度依赖关系。我们发现这种非单调性主要由杂质散射强度变化引起并且受到屏蔽的影响，而在高温下电声散射也会有比较重要的贡献。　　 在第七章中，我们基于s-d交换模型推导了铁磁半导体中的Landau-Lifshitz-Gilbert方程。我们把巡游电子的自旋轴取成局域、瞬时的磁矩方向，从而引入了自旋态之间的规范场耦合。在包含规范场相互作用的情况下，我们用非平衡格林函数方法推导了巡游电子动力学自旋Bloch方程，并在弛豫时间近似下通过求解方程得到巡游电子自旋极化对局域电子磁矩的自旋扭矩作用。在空间均匀体系中，我们发现除了自旋翻转散射以外，自旋守恒散射也会通过Dyakonov-Perel’自旋弛豫机制对巡游电子的自旋弛豫时间产生修正进而影响Gilbert阻尼扭矩，并且空间均匀的自旋流在自旋轨道耦合的作用下也会对Gilbert阻尼产生贡献。当磁矩存在空间梯度时，一阶梯度项给出正比于自旋流大小的自旋扭矩，它包括直接的自旋交换扭矩以及正比于非绝热参数的横向自旋交换扭矩，与之前文献中的结果一致。在二阶梯度下，我们得到了两项有效磁场贡献，其中一项为常规的自旋刚度项，而另外一项贡献同时垂直于常规自旋刚度与磁矩方向。我们发现这项垂直自旋刚度会导致磁畴壁偏离理想的Néel结构而出现螺旋形结构。由于铁磁半导体中的非绝热参数较大，垂直自旋刚度会比较重要。　　 接着我们在第八章中用实际样品参数具体计算了GaMnAs中Landau-Lifshitz-Gilbert方程中的系数。由于这些系数都与载流子的自旋寿命有关，因此我们首先利用Zener模型通过数值求解动力学方程计算了铁磁相GaMnAs中的空穴自旋弛豫时间。由于空穴始终处于强简并极限下，因此我们在计算中忽略了库仑散射，温度效应通过磁矩Brillouin函数引入。从我们的计算结果来看，在p-d交换系数比较小的情况下，空穴的自旋弛豫时间随温度上升而单调下降，而在交换系数比较大的时候，空穴自旋弛豫时间先上升后下降。通过分析我们发现这种现象的产生与空穴带之间的波函数混合随Zeeman劈裂的变化有关。我们把空穴自旋弛豫时间代入到LLG系数的解析表达式中，得到的低温非绝热参数β在0.3左右，与实验值一致。随着温度升高到居里温度附近，非绝热参数显著增大并可以超过1。在β＜1的区域，我们得到的Gilbert阻尼系数随着温度上升缓慢上升，数值以及温度关系都与实验观测相符。在β＞1的区域，我们预言阻尼系数随温度上升而下降。此外，我们也计算了自旋刚度系数与垂直自旋刚度系数。我们发现垂直自旋刚度系数也会和阻尼系数一样呈现非单调行为。　　 我们在第九章中仔细讨论了等间距的π脉冲序列对(001)GaAs量子阱中电子自旋弛豫的影响。在包含所有相关散射的情况下，我们发现脉冲间距超过40ps时强、弱散射极限下的自旋弛豫时间基本都不受脉冲间距的影响。随着脉冲间距缩短，电子的自旋弛豫时间可以显著延长。计算结果表明自旋弛豫时间的温度、浓度依赖关系与动量弛豫时间基本一致，这是因为密集的π脉冲成为抑制有效磁场非均匀扩展的主要机制而散射的主要作用则是提供自旋弛豫通道。我们发现在高迁移率、低温、高/低电子浓度条件下，π脉冲序列对自旋弛豫时间的调节效果最强。　　 最后我们还在第十章中介绍了一种在介观尺度基于局域Rashba自旋轨道耦合设计的T形自旋晶体管模型。这种模型通过把Fano-Rashba效应与T形结构波导管的结构反共振结合起来，利用Fano反共振点与结构反共振点相靠近时造成的带隙来减小器件关闭状态的漏电流。与依靠单独的Fano反共振点或结构反共振点设计的晶体管相比，我们的设计方案极大地提高了器件的皮实性。