自旋电子学在传统电子学所使用的电子电荷自由度的基础上，考虑了电子自旋自由度，近年来取得了长足发展。基于类似的思路，以电子在固体材料中的能谷自由度为研究对象的能谷电子学，近五年来也处于高速发展中。自旋电子学和能谷电子学主要的研究目的是利用自旋/能谷自由度为信息载体，最终以自旋或能谷自由度代替传统电子学中使用的电荷自由度，具有广阔的应用前景。探索新型电子器件的研究包含丰富的物理内容，同时为实现新一代自旋/能谷电子学器件奠定基础。深入研究半导体材料中自旋、能谷极化的弛豫机制，采用外界物理条件实现对相应自由度的调控是这一领域非常重要的研究内容。本论文的研究以时间分辨Kerr/Faraday旋转光谱、瞬态自旋光栅和稳态的偏振分辨荧光光谱技术作为主要实验手段，同时以半导体微纳加工技术、电子学测量和低温磁场设备作为辅助，对半导体材料中电子自旋、能谷自由度进行研究。主要的研究内容与成果如下:　　1.(111)GaAs/AlGaAs量子阱中电场调控自旋弛豫和自旋输运的实验研究　　我们对(111)GaAs/AlGaAs量子阱施加垂直方向的电场，使样品中自旋寿命被极大地延长。在此基础上，采用瞬态自旋光栅实验技术，对不同电场强度下自旋输运性质进行研究。测量得到不同电场强度下自旋扩散系数，结合自旋寿命的信息，我们在实验上首次证实了外加电场对自旋扩散长度的调控。通过外加电场使自旋扩散长度由0.9μm增加到1.8μm。通过拟合能够同时得到样品的Dresselhaus和Rashba系数分别为18±2eV·(A)3和7±1e.(A)2。　　我们采用窄量子阱样品，进一步尝试在更高温度下进行相关实验研究。结果表明，在250K下，外加电场仍然可以有效地对样品中的自旋弛豫进行调控。　　2.立方相GaN中自旋动力学和动态核极化的实验研究　　我们在低温区域，研究了立方相GaN在垂直磁场下的自旋弛豫。当磁场小于1T时，观察到负时间延迟位置TRKR信号随外加磁场增加迅速增大。通过实现立方相GaN中的动态核极化过程，从实验上证实低温下自旋现象来源于束缚于施主能级的激子态，并且自旋弛豫主要由超精细相互作用引起。实验测得立方相GaN典型的施主动态核极化磁场在～10mT量级。　　3.单层、双层MoS2中能谷自由度的实验研究　　我们在实验上观察到圆偏振光激发单层MoS2情况下，其荧光呈现圆偏振极化，证实了理论合作者预言的能谷依赖的光学跃迁选择定则。　　通过单轴应变，我们首次实现对单层、双层MoS2荧光圆偏振极化度的调控。随着单轴应变的增加，单层、双层MoS2荧光圆偏振极化度明显减小，在施加0.77％应变时，双层MoS2中圆偏振极化度完全消失。我们还研究了在不同单轴应变下Raman光谱性质，发现随着应变增加，E12g模式向低频移动显著，并首次观察到了该模式在一定应变下简并解除的现象。与此同时，我们在实验上首次较全面地给出了单层、双层MoS2样品中主要跃迂过程的能量随着单轴应变的变化，相应的结果与理论计算吻合。