第三代半导体器件具有高能效、低功耗和高极端性能,在电子电力、微波射频和光电子等领域展现出广泛的应用前景。基于第三代半导体的压电特性,压电电子学这一新兴领域已成为高性能器件设计的重要研究方向。然而,随着支撑半导体芯片技术的摩尔定律即将走到极限,传统半导体器件设计面临诸多物理因素的限制如量子尺寸、量子隧穿和表面效应等,器件性能难以实现进一步提升,压电电子学的器件发展同样面临严峻挑战。为了寻求突破,人们提出了量子压电电子学的重要概念,旨在将第三代半导体器件的发展推向新的高度。然而,截止到目前,量子压电电子学的基本理论和器件设计依然存在许多亟待探索和解决的问题,尤其是与自旋相关的许多新材料与新物理有待深入探究。本论文着眼于高性能量子压电电子学器件设计,针对低维压电半导体中的自旋特性开展基础物理和器件模型两方面的理论研究,从自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling,SOC）的基础理论、量子材料的拓扑相变到自旋电子学器件设计,逐步深入探究压电电子学效应在低维量子层面上展现出的独特自旋物理,揭示第三代半导体自旋调控的基本物理规律的同时也为设计高性能、低功耗和高灵敏度自旋器件提供可能途径,对今后量子压电电子学的发展具有重要意义。本论文所包含的主要内容如下:1.极化场调控AlGaN/GaN半导体异质结界面的二维电子气。利用经典的三角形势阱模型,说明了应力产生的极化场能够有效调控界面二维电子气浓度,阐明了压电电子学晶体管高性能特性的物理机理;此外,极化场引起的能带弯曲不仅可以限制量子状态,同时还能够调节界面电势的不对称性,从而控制电子的SOC,说明了极化场具备调控自旋特性的物理条件。2.研究了普通绝缘态与拓扑绝缘态两类体系下极化场对SOC的调控。针对III-V族氮化物与II-VI族氧化物半导体材料,借助L（?）wdin微扰方法,一方面,探究了量子阱在普通绝缘态下Rashba和Dresselhaus两种SOC,发现Dresselhaus SOC的主导作用,并阐明极化场同时增强两种SOC的物理机制;另一方面,分析了ZnO/CdO和GaN/InN两种量子阱在拓扑绝缘条件下所展现出的强SOC及其非线性行为,SOC系数可达80 me V·nm,分析表明电子与轻空穴之间的耦合是引起该SOC奇异特性的根源。该项工作提供了一种诱导强SOC的新方法,对于SOC的非线性物理研究具有重要意义。3.基于极化场对SOC的调控理论,探究拓扑绝缘体和过渡金属硫化物两类二维体系中的拓扑相变过程。针对Zn O/Cd O和GaN/In N两种量子阱,阐明了强极化场（约10 MV/cm）在诱导低维压电半导体拓扑相变过程中的物理机制,借助L（?）wdin微扰方法计算出六带有效哈密顿量并确认了无带隙边缘态的存在,边缘态带隙可达7.2 me V;此外,针对二维压电半导体材料,利用电磁理论描述了局域化分布的面内压电极化场,进而精准调控过渡金属硫化物中的边缘态及其相变过程,对比应力和均匀外电场两种操控手段,说明了压电极化场调控更具鲁棒性。该项工作从低维压电半导体的拓扑相变物理出发,阐明了拓扑量子材料中电子特性的全新操控手段,拓展了压电电子学的基本内容的同时也为设计量子压电电子学器件创造可能。4.基于极化场对SOC和拓扑相变的调控机理,研究了低维压电半导体中的高性能器件模型。针对电荷输运、自旋极化输运和自旋流输运,通过构筑量子输运器件模型,采用量子输运软件Kwant进行数值计算,提出了器件设计中水平和垂直两种重要的调控结构。水平调控结构以Hg Te/Cd Te、GaN/In N、Ga As/Ge三种量子阱拓扑绝缘体中的电荷输运为基础,搭建量子点接触（Quantum Point Contact,QPC）器件模型,设计出了压电电子学晶体管、逻辑门电子元件和量子信息存储三种高性能器件,其中,压电电子学晶体管具备超高的电导开关比(大于1010)、低功耗以及高的灵敏度（约为104）等优势。5.垂直调控结构涉及自旋极化和自旋流两种输运。前者基于Zn O/Cd O量子阱中拓扑绝缘态中的强SOC,通过构建长通道QPC器件模型,研究边缘态电子输运过程中的自旋翻转和自旋极化,高度振荡的自旋极化说明了极化场对自旋输运的良好控制能力,而增大QPC宽度将不利于自旋极化的调控,此外,极化场可控制自旋输运的开断状态,用于设计自旋极化开关器件;垂直调控结构同样可应用于自旋流输运的调控,基于Zn O/Cd O量子阱普通绝缘态中的强SOC,通过构建四通道器件输运模型,发现极化场能够显著增强自旋流强度和自旋霍尔电导,同时,电荷电流到自旋流之间的转换比可提升四倍,能够大幅度降低该自旋器件的工作能耗。基于器件设计中的水平与垂直两种调控结构不仅拓展了压电电子学的基本内容,同时也为实现新的量子压电电子学器件提供全新思路。