自2004年单层石墨烯成功制备以来,氮化硼、硅烯、二硫化钼等一系列新型二维类石墨烯材料的制备和研究应接不暇,为新型低功耗量子器件的设计和开发提供了很多可能性。本文重点关注硅烯、锗烯等重IV族单层材料,以理论推导为主数值计算辅助研究和探讨了与电子自旋和能谷自由度相关的量子元器件的设计及新奇物理效应的实现。前两章,主要概述了几种典型二维材料的制备、结构及基本的物理性质,介绍了电子输运有关的基本概念和理论方法等。第三章,介绍基于能谷概念的新型自旋二极管效应的研究。在硅烯、锗烯和锡烯等重IV族单层材料构成的铁磁/反铁磁结中,使用纵向偏压驱动,通过在反铁磁区外加层间电场,可以实现自旋二极管双极—单极转换。当电场强度为零时,只有来自一个能谷上的电子对电流有贡献,且一种自旋正向导通反向截止,另一种自旋反向导通正向截止,对应于双极型自旋二极管;当电场强度增大时,导电能谷切换到另一个能谷上,一种自旋正向导通反向截止,另一种自旋不导电,对应于单极型自旋二极管。改变层间电场的方向,自旋二极管的单双极状态因输运对称性而保持不变。通过调节纵向偏压和电场强度,在磁性交换场强度为1me V时即可获得观测信号。第四章,介绍新奇自旋Seebeck效应和能谷Seebeck效应的实现途径。常规的自旋Seebeck效应考虑的是电子自旋和电荷的输运,可通过在铁磁硅烯中引入温差来实现纵向自旋Seebeck效应,即反自旋电子反向运动。在两个铁磁硅烯电极和中间电控栅极结构的场效应管装置中,来自两个不同能谷上的电子反向运动,对应于能谷Seebeck效应。进一步通过调节栅极电场,可实现能谷Seebeck效应和自旋Seebeck效应状态间的切换。第五章,介绍能谷锁定的新型自旋Seebeck效应的研究。在非对称铁磁交换场的存在的条件下,可实现能谷锁定的自旋Seebeck效应,即单一能谷中反自旋电子反向运动而另一能谷因能隙的存在处于不导电状态。进一步研究表明,这一效应会被高温所破坏,随层间电场的增加会而减弱,可通过增加源-漏温差的方法来增强信号,且对Fermi能级的扰动和磁化强度都具有鲁棒性。相关研究可应用到自旋-能谷逻辑电学装置的开发和设计中去。最后,给出总结、展望以及致谢。