晶体材料中的电子拥有着丰富多样的物理。在传统的电子产业中,主要依托于电子的电荷和自旋自由度,这些内禀的电子自由度是现代技术能够发展的关键因素。而依托于电子及其相关的新颖自由度的探索和预测,并能成功地制成、应用,是引领现代电子科学技术创新发展的关键,极具前瞻意义。随着人们对晶体材料研究更加深入,并致力于探索更新颖的物理现象,人们逐渐发现了可以将二维晶体结构中布洛赫电子的能谷作为新型自由度的现象,随着人们对二维材料中能谷的认知不断深入,相应的领域总结称为“能谷电子学”。能谷电子学材料作为计算机信息编码以及贮存的新一代微型电子器件备受广泛关注。到目前为止,已经有许多优异功能化的能谷电子学器件被提出,比如谷阀门、依赖谷的随机存贮器和谷过滤器等等。不仅如此,能谷电子学材料中存在的能谷霍尔效应、反常能谷霍尔效应和量子反常能谷霍尔效应等等更是丰富了霍尔效应大家族,为新一代电子器件的发展提供了新思路。此外,若实现对能谷自由度的操控,通过打破两谷之间的能量简并性,实现能谷间载流子的极化效应,是目前研究能谷电子学领域中的核心问题,对未来能谷/自旋电子学器件的发展具有重要的影响。到目前为止,人们在光、电和磁等领域实现了对于谷间载流子的极化调控,这有利于能谷电子学的全方位发展。而预测新型的具有优异能谷性质的二维材料,并能引入鲁棒性的谷极化仍然是当前领域的研究热点问题,受到了人们的广泛关注。基于以上研究背景,并结合第一性原理计算,本论文对二维能谷电子学材料中新颖材料的预测和产生谷极化的方法展开了深入研究。通过系统研究,我们提出了几种二维材料中存在的能谷自由度,并通过构建二维异质结、磁性原子掺杂的方式实现了谷极化。除此之外,我们还发现利用调控异质结层间距、面内双轴应力作用和改变结构的磁化方向可以有效地对能谷自由度进行调控。本论文的具体研究内容如下:1.二维异质结H-Tl2O/Cr I3中的能谷极化性质及调控如何探索实现谷极化的方法一直是能谷电子学领域的研究热点问题,受到了人们的广泛关注。通过第一性原理计算,我们系统地研究了二维范德华异质结H-Tl2O/Cr I3中的电子和谷电子学性质,并讨论了通过调控异质结层间距与施加面内双轴应力作用对谷自旋劈裂和谷极化的影响。研究结果表明,单层H-Tl2O是一种间接带隙半导体,且在导带和价带都有一对能谷。在考虑自旋轨道耦合作用之后,自旋简并解除,在导带和价带发生了谷劈裂,尤其是在导带上具有非常可观的559 me V的劈裂数值。在二维H-Tl2O/Cr I3异质结中,磁性Cr I3的磁近邻效应打破了H-Tl2O中的时间反演对称性,在考虑自旋轨道耦合作用之后,两谷之间的能级简并被打破,实现了谷极化。此外我们还发现,二维H-Tl2O与Cr I3之间存在电荷转移现象,具有较强的层间耦合作用,有利于异质结的稳定存在。除此之外,通过调控异质结层间距和面内双轴应力作用,我们还发现二维H-Tl2O/Cr I3异质结的谷极化和谷自旋劈裂具有很大的可调响应现象。我们的研究展示出了通过磁性衬底诱导产生谷极化这一方法的另一可靠结果,并对体系中的能谷自由度调控的方法展示了新思路,为二维H-Tl2O在自旋电子学和谷电子学中的应用提供了理论支持。2.新型二维H-Zr X2（X=Cl,Br,I）中的能谷极化性质和能谷霍尔效应探索新颖的二维能谷电子学材料是本领域中的重点问题,此外如何获得更大的鲁棒性的谷极化是极具挑战性的研究。基于第一性原理计算,我们预测了一类新型的二维谷电子学材料Zr X2（X=Cr,Br,I）,并通过磁性原子掺杂的方式诱导产生谷极化。单层Zr X2具有良好的晶格动力学和热力学稳定性,并具有与当前存在的二维材料相似的晶格常数。单层Zr X2在价带顶有一对可观测的能谷,在考虑自旋轨道耦合作用之后,Zr X2的能带结构中发生了谷劈裂,并保留相反的自旋信号;Zr X2在对立的能谷上拥有大小相等方向相反的贝里曲率,且局域在两个能谷附近,体现了优秀的谷对比物理特征。此外,通过应力调控的方式,可以有效地调节体系中的贝里曲率和谷自旋劈裂。通过掺杂磁性金属原子,使两个谷中的载流子极化,从而消除了能量简并,最终实现了谷极化。更值得注意的是,Cr掺杂Zr I2体系的谷极化达到了108 me V,比先前所研究的C原子掺杂Tl2O（46me V）、V原子掺杂WSSe（62 me V）、V原子掺杂Mo SSe（59 me V）、Cr原子掺杂t-Zr NCl（83 me V）等的谷极化都要大。此外我们还发现,通过控制掺杂磁性原子的磁化方向,可以线性地调节或翻转谷极化。本工作提出了一种优秀的二维能谷电子学领域的候选材料,并展示了获得较大谷极化的方法,为单层Zr X2在二维谷电子学和自旋电子学应用的深入研究提供了有力的理论支撑。