基于电子的电荷的属性而设计的传统半导体芯片和集成电路构成了现代信息技术的基础。电子除了是电荷的载体,同时也是自旋的载体。受限于结构、材料和量子效应,传统基于电荷工作的集成电路面临着巨大挑战。进入后摩尔时代,研究和发展低维半导体磁性异质结构材料与器件是今后进一步突破半导体器件性能、发展新一代量子器件的迫切需求。二维氮化物半导体/二维磁性材料异质结构可以通过同时操控电荷自由度和自旋自由度处理和存储信息,并借此发展新一代微型化、低功耗、多功能和非易失性的低维自旋电子学器件。本文基于二维宽带隙半导体氮化镓（GaN）,通过和不同的二维铁磁材料的垂直堆叠组建范德瓦尔斯异质结构,设计了具有室温磁性、信息存储、高电导率等突出优点的范德瓦尔斯自旋阀、二维双栅极自旋场效应管等自旋电子学器件。采用第一性原理计算并结合晶体场理论、微扰论分析、玻尔兹曼输运方程等理论手段研究了低维GaN基磁性范德瓦尔斯异质结构的电子、磁学和输运性质。具体研究内容如下:（1）通过第一性原理计算研究了二维GaN与二维VN所组建的异质结构的电子和磁学性质。GaN中的N原子对V的库伦排斥力导致d轨道的占据发生变化。拥有半占据简并轨道的VN必然的半金属性转变为允许出现带隙的满占据。三明治结构的VN/GaN/VN范德瓦尔斯异质结构的导电性很大程度取决于VN的磁化配置,通过平行-反平行的磁化配置切换使异质结构的导电性在半金属-半导体之间切换。能级占据的转变同时伴随了易磁化轴的转变,并通过二阶微扰论分析对其进行了解释。VN、GaN/VN、VN/GaN/VN的居里温度均高于440 K。远高于室温的磁相变温度和外场可调的高低电阻态使VN/GaN/VN范德瓦尔斯异质结构是理想的范德瓦尔斯自旋阀候选材料。（2）系统地研究了双栅极场效应管的静电掺杂下GaN/Cr I3异质结构的电子、磁学、输运性质。虽然单层Cr I3的易磁化轴在0.2电子掺杂下由面外向面内转变,但在GaN/Cr I3范德瓦尔斯异质结构电子掺杂下保持面外的易磁化轴,这对高密度信息存储至关重要。电子掺杂和空穴掺杂均能提高GaN/Cr I3范德瓦尔斯异质结构的居里温度,解决了单层Cr I3中电子掺杂将导致居里温度降低而无法保持自发磁化的问题。在相同静电掺杂条件下,GaN/Cr I3异质结构保持了半金属性质,同时载流子有效质量的大幅降低使得自旋相关的电导率远大于单层Cr I3。利用高载流子迁移率的GaN和铁磁体构建磁性范德瓦尔斯异质结构是开发高性能场效应晶体管的有效策略。（3）基于MoSi2N4和WSi2N4相同的原子结构,构筑了具有双层磁性原子的单层Ti Cr2N4。通过第一性原理计算和玻尔兹曼输运理论的结合研究了单层Ti Cr2N4和GaN/Ti Cr2N4范德瓦尔斯异质结构的电子、磁性和输运性质。Cr N4四面体晶体场使xy面成为中心的Cr原子的易磁化面。当两侧的Cr原子磁化夹角在xy面内增大,由平行到反平行,带隙逐渐增大单层Ti Cr2N4和GaN/Ti Cr2N4范德瓦尔斯异质结构的电导率显著下降,最大磁阻率分别达到了23 300%和18700%,表现出明显的巨磁电阻效应。单层Ti Cr2N4和GaN/Ti Cr2N4范德瓦尔斯异质结构的居里温度分别为673 K和551 K。这些结果表明,在单分子层极限下,设计包含多层磁性原子层的范德瓦尔斯材料是开发低维自旋阀等自旋电子学器件是的有效策略。