二维材料,即只有一个或几个原子层厚的薄膜材料,如石墨烯、硅烯、过渡态金属二硫化物等。其中,单层石墨烯是零带隙材料,不能直接用于制作电子开关。单层硅烯是间接带隙材料,其发光效率远低于直接带隙半导体材料。而单层过渡态金属二硫化物是直接带隙半导体材料,因此在光电领域如太阳能电池等有着广阔的应用前景。此外,相比石墨烯而言,单层过渡态金属二硫化物有两个显著特征,一是源自于重金属原子d轨道的强烈自旋轨道耦合,二是反转对称性破缺在两个不等价能谷处产生了不同的贝里曲率,从而导致不同能谷对圆偏振光的响应不同,这为利用自旋和能谷指标来进行逻辑器件的设计和信息编码提供了重要前提。本文主要利用外场（光、电、磁以及速度场等）调控单层WSe₂中的自旋能谷输运性质,从理论上设计高效的光电器件。主要的研究工作如下:（1）单层WSe₂结中光电磁控制的弹性电导研究。研究发现,通过增加电势垒到某一临界值可以实现电子开关的功能。由于WSe₂中较大的自旋轨道耦合,利用不同能谷对非共振圆偏振光的响应不同,可以获得近100%的完美自旋能谷极化;此外,通过增加铁磁交换场可以显著的增大自旋能带的差别,从而使自旋极化的光强和势垒区域范围增强。该工作为设计光电磁控制的自旋能谷电子器件提供了重要的理论基础。（2）单层WSe₂结中速度势垒控制的自旋能谷极化输运研究。研究发现,自旋能谷分辨的透射概率和电导强烈依赖于速度势垒。随着速度势垒减小到0.06,出现了超过90%的完美自旋能谷极化,由于自旋轨道耦合的不同,导致这一现象与Mo S₂情况显著不同。此外,还进一步研究了速度势垒调控下的多势垒输运性质,由于倏逝波隧穿的影响,观察到了许多奇异的输运间隙,该工作为速度势垒控制的电子开关器件制造提供了重要的理论基础。（3）利用古斯-汉欣效应实现单层WSe₂结中自旋能谷电子分束器。研究发现,对于单势垒结构,由于自旋能谷锁效应,古斯-汉欣位移在Fabry-Perot共振处表现出二重简并的特征,利用铁磁交换场破坏自旋简并,可以进一步获得自旋-能谷分辨的横向古斯-汉欣位移。对于双势垒结构,由于势垒间局域态的影响,在Fabry-Perot共振处观察到了数千费米波长的古斯-汉欣位移,该工作为设计基于电调控的WSe₂高性能自旋能谷分束器提供了理论基础。