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本文基于有效质量理论研究半导体低维结构的自旋相关的物理性质，全文共分七章，分别研究自旋极化输运，自旋轨道耦合对二维电子气磁输运的影响，自旋弛豫和退相干，Rashba自旋轨道耦合和自旋霍尔效应。
第一章和第七章分别为绪论(自旋电子学简介)和总结。第二章为稀磁半导体二维电子气中的自旋极化输运：(1)一维周期弱调制磁场下的自旋极化输运。尽管载流子自旋极化度几乎为零，但沿调制方向的费米速度的自旋依赖却很强，自旋极化的费米速度使得沿调制方向的电导率发生显著的自旋极化，可以用来产生自旋极化电流。(2)均匀磁场下的自旋极化输运。弱磁场下的载流子总体自旋极化度几乎为零，但朗道能级的自旋劈裂产生了极化度随磁场的增加而振荡的强自旋极化电流。改变磁场、电子浓度和磁离子组分，可以调节电流的自旋极化度的大小和正负。(3)Rashba自旋轨道耦合对自旋极化输运的影响。Rashba效应的强度取某个临界值时，由于特殊的朗道能级结构，电流的自旋极化度被共振增强。我们的理论结果表明，利用特殊的能带/能级结构可以在弱自旋极化体系中产生强自旋极化电流。
第三章研究Zeeman，Rashba和Dresselhaus这三种自旋劈裂机制对非磁性半导体二维电子气的磁阻振荡图案的影响。Rashba或Dresselhaus自旋轨道耦合单独作用时磁阻的Shubnikov-de Haas振荡出现拍频，Rashba或Dresselhaus自旋轨道耦合强度很大时，磁阻率的振荡显示出两个周期。当这两种自旋轨道耦合的强度相等，并且没有Zeeman劈裂时，拍频完全消失，我们证明了Rashba哈密顿量与Dresselhaus哈密顿量可以通过自旋空间中的转动联系起来，并由此对拍频的消失作了解释。
第四章我们研究半导体量子点中电子的自旋弛豫和退相干：(1)盘状稀磁量子点中声子协助下s-d交换相互作用导致的的自旋弛豫。自旋翻转率随磁离子组分、量子点的垂直限制强度、以及量子点半径的增加而增大，而对磁场和温度的依赖是非单调的。在低温强磁场下，低磁离子组分的小量子点中由s-d交换作用导致的自旋弛豫被强烈抑制。(2)Carr-Purcell自旋回波(spin echo，用于消除自旋的非均匀退相)的各种控制参数的误差对抑制量子点中电子自旋退相干效果的影响。脉冲延迟时间的误差必须远小于自旋的Larmor进动周期才能较好地抑制退相干。(3)交换耦合的双量子点中超精细相互作用导致的自旋单态-三重态退相干。电子间的交换相互作用不仅能减弱电子与核之间的耦合从而延长退相干时间，而且能改变核自旋的动力学演化，使自旋退相干的轮廓由指数型(单个自旋)变成幂指数型(耦合自旋)，自旋回波对耦合自旋退相干的抑制也与单个自旋的情况大不相同。注：第四章(2)，(3)部分在香港中文大学刘仁保教授的指导下完成。
第五章基于8带有效质量模型研究量子阱中电场引致的Rashba自旋劈裂。通过改进的理论推导，得到Rashba劈裂的解析表达式并做了数值计算，两者均表明Rashba劈裂是波矢的非线性函数，我们提出一个双参数的非线性Rashba模型，它可以定量拟合非线性的数值结果，而线性Rashba模型与数值结果有显著差别(特别是对窄带隙半导体量子阱)。由此我们解决了近年来的数值计算结果(表明Rashba劈裂具有一定程度的非线性)与广泛使用的解析模型(即线性Rashba模型，它将Rashba劈裂作为波矢的线性函数)不一致的问题。用线性、非线性Rashba模型分别计算量子阱中电子的Dyakonov-Perel自旋弛豫率，两者结果存在定性的差别，尤其对窄禁带半导体量子阱更为显著。我们的另一项工作是关于8带有效质量模型在数值求解过程中出现虚假解的问题，我们用清晰的图像说明了虚假解产生的原因及其消除方法。
第六章研究窄带隙量子阱中电子的本征自旋霍尔效应。由于窄带隙材料具有更大的自旋轨道耦合效应，因而本征自旋霍尔效应在窄带隙材料中将更为显著。对窄带隙量子阱中的本征自旋霍尔效应的研究，还有助于解决目前关于本征自旋霍尔效应是否存在的激烈争论。然而这一领域中被广泛使用的单带和4带有效质量模型并不适用于窄带隙材料，因此我们我们率先采用8带有效质量模型，在轴向近似下计入杂质散射产生的顶角修正，计算了零带隙附近量子阱中电子的本征自旋霍尔效应。我们发现在正带隙情况下，本征自旋霍尔电导几乎完全被顶角修正抵消；但当带隙为负值时，最低电子子带具有重空穴特性，此时出现本征自旋霍尔电导率。