自旋电子学是通过控制电子的自旋实现信息的传递,热电子学是利用温度差驱动产生电流。基于自旋电子学与热电子学结合的热自旋电子学研究为未来新型纳米功能材料的设计提供了新的思路。这种方法具有信息传递速度快、能耗低、信息存储和处理的集成度高等优点,一定程度上打破了目前集成电路集成度难以再升高的局限。同时在自旋电子学中,具备自旋极化率为100%的半金属输运材料也得到了广泛的研究和应用,半金属材料被认为是未来自旋电子学器件如自旋过滤器件、自旋二极管、自旋三极管等等的理想自旋注入材料。本文基于第一性原理的计算,研究了利用硼(B)原子和氮(N)原子共掺杂石墨烯纳米带分别实现热自旋输运和半金属输运,具体分为以下两个工作:(1)我们分析研究了石墨烯纳米带的输运性质和B-N原子边缘共掺杂铁磁态石墨烯纳米带的热自旋电流输运性质。我们发现,在铁磁态本征锯齿形石墨烯纳米带的结构中,不同自旋方向的电子在费米能级附近的透射谱函数值恒为1,不具备产生自旋电流的功能。当给这种结构的最边缘处分别掺杂B、N原子的时候,不同自旋方向的电子在费米能级附近的透射谱曲线呈现出类似于‘X’的交叉现象。在给这种B-N原子掺杂在锯齿形石墨烯纳米带的结构上施加温度差而非电压差的情况下,自旋向上的电荷流和自旋向下的电荷流方向相反,产生自旋电流。此外,进一步研究发现,这两种自旋电子在费米能级附近产生了较大的符号相反的塞贝克热电势,而且满足线性变化机制。随后我们又分别计算了用两个B-N原子(2B2N)、三个B-N原子(3B3N)在最边缘掺杂的结构,发现随着B-N原子掺杂的个数逐渐增大,这两个符号相反的塞贝克系数值也会逐渐增大。更重要的是,通过轻微的调节体系的化学势值,可以得到电荷电流为零,而自旋电流不为零的纯自旋电流,实现了完美的塞贝克效应。另外,获得纯自旋电流的化学势μ的值不会受温度的影响而改变,这降低了此方法产生纯自旋电流的要求,使该器件能够稳定的应用到更多的环境。这些发现说明了利用掺杂杂质原子的方式在铁磁态锯齿形石墨烯纳米带上产生热自旋电流的可行性,此外,一定条件下能够产生稳定的纯自旋电流,对基于石墨烯的自旋器件设计有一定的指导意义。(2)我们提出了一个利用BN对替换锯齿形石墨烯纳米带中心区域内两个相邻碳原子对的体系可以获得稳定的半金属输运,该体系是由两段BN对修饰后的石墨烯纳米带构成的类似于异质结的结构,我们研究了这两段纳米带的两种连接连接方式,分别是由碳四元环和碳六元环将一条纳米带的上边缘和另一条纳米带的下边缘进行连接。对每一种连接方式的体系,考虑到BN对在两条纳米带中朝向的不同,都会分为两种结构,一种是BN对朝向相同,称为‘BN-BN’结构,另一种是BN对朝向相反,称为‘BN-NB’结构。通过对这些结构的输运计算分析,结果发现,不管什么连接方式和结构,只要合理的选择BN对的朝向,我们可以完全忽略磁性的影响,得到稳定的半金属输运。这个结果是化学修饰后的纳米带具备自旋极化以及不同自旋电子在纳米带边缘上空间分离的性质造成的。该设计思想能够为利用石墨烯纳米带设计自旋电子器件提供很好的理论建议。