随着当今数字集成电路中的晶体管特征尺寸进一步缩小到10nm以内,由于量子限制效应的显现,引领半导体技术发展超过半个世纪的摩尔定律在传统硅基电子器件的开发中逐渐式微。科学家和工程师们一直在纳米电子学和自旋电子学等领域寻找构筑新型电子器件的新思路,包括引入新兴纳米材料、新的电子自由度(自旋)等。基于低维材料开发新型电子器件的研究尤为令人瞩目。由于低维材料本身所具有的新颖的电子特性,构建的器件在理论和实验上往往拥有不俗的性能。其中,二维半导体材料黑磷烯因为具有可以通过层数调控的带隙,在二维材料器件开发的研究中占有巨人的优势。本文采用密度泛函理论,结合非平衡格林函数方法,利用第一性原理计算的手段主要研究了双侧边缘分别被过渡金属原子V、Cr、Mn钝化的单原子层扶手椅型黑磷烯纳米带(APNR)的几何结构和电子性质。基于Cr和Mn原子钝化的黑磷烯纳米带异质结,文章最后又提出了一种自旋二极管的可能构型。全文共有四章。第一章为绪论,首先简要介绍了石墨烯、二硫化钼和六方氮化硼三种典型二维材料的性质、制备与应用;其次简述了自旋电子学及其进展,特别是二维材料自旋电子学的研究成果;最后介绍了极具应用前景的二维半导体材料—黑磷烯,包括它的晶体结构、基本性质、制备方法以及应用。第二章主要论述了本文采用的第一性原理计算方法和理论基础,包括密度泛函理论和非平衡格林函数方法。第三章展示了本文的研究成果。我们首先研究了不同宽度的扶手椅型黑磷纳米带边缘分别吸附V、Cr、Mn原子后的几何结构和电子性质变化。第一性原理计算结果表明:V、Cr、Mn三种原子都能够被稳定地吸附在纳米带的边缘凹位,具有4 eV大小左右的结合能,与边缘吸附氢原子时的结合能相当。同时,过渡金属元素3d轨道引入的自旋极化边缘态改变了黑磷烯纳米带原有的电子性质,且这些性质可以通过外部电场进一步调控。特别地,边缘被Mn原子钝化的纳米带(Mn-APNR)的能带结构在铁磁状态下表现出自旋半导体(half semiconductor)的性质。在外部横向电场中,其导带会由于斯塔克效应而移动,并有可能表现出金属性质。最后,我们设计了一个由Mn/Cr-APNR异质结构成的自旋二极管,它只针对单一自旋的电子电流展现较强的整流效应。第四章对论文进行了总结。