材料对于人类社会至关重要,而人类社会纪元的划分就是依据新材料的发现而命名的,比如：石器时代、青铜时代、铁器时代等。作为一类新型纳米材料,单层二维纳米材料表现出独特的力学、光学、磁学等性质,具有重大的应用潜力。近年来,由于量子力学相关理论和数值算法的飞速发展,使第一性原理计算成为研究纳米材料强有力的工具。本论文主要采用密度泛函来研究单层二维纳米材料的几何结构、电子性质、光学性质,以及室温庞氧离子电导率等,全文安排如下：第一章简要介绍了在能源环境危机背景下快速发展的能源技术,如固体氧化物燃料电池技术和光解水制氢技术。在此基础上,介绍了一些在能源材料中广泛应用的一些单层二维纳米材料。第二章简要介绍了量子材料科学的发展历史、密度泛函理论、过渡态搜索理论以及蒙特卡洛模拟方法,并给出在本论文研究中使用的软件包简介。第三章采用第一性原理计算,从理论上提出了一种新型的单层石墨烯片的制备方法：通过氧化还原手段,沿碳纳米管轴向打开管壁,制备得到边缘平整、带宽可控的高质量单层石墨烯片。研究发现,氧原子更倾向于在碳纳米管边缘吸附形成环氧基,而不能直接形成“环氧基对”。进一步氧化中,碳纳米管边缘C-C共价键断开的势垒为0.74eV。随后,在邻位“羰基对”的应力作用下,碳纳米管上C-C键的断裂势垒大幅度下降了84%,仅为0.12eV。该机理有效降低了从碳纳米管到单层石墨烯片的化学反应势垒,有利于实验中获得边缘平整、带宽可控的单层石墨烯片。第四章研究了钯(Pd)和铂(Pt)金属在单层石墨烯表面不同的生长机制。实验中发现,钯金属可以在石墨烯表面生长,而铂金属却不能。第一性原理计算表明,钯和铂在单层石墨烯表面具有不同的吸附趋势：在石墨烯表面,钯金属的dz2轨道电子以石墨烯中π电子为中介,将电子转移至钯金属的dxz+dyz轨道,同时石墨烯中π电子基本保持不变。这种电荷转移机制增强了钯金属与石墨烯衬底之间的相互作用,是钯在石墨烯表面生长的主要原因。反之,铂金属不存在这种电荷转移机制,而且铂原子容易发生自发团聚,因此铂金属很难在石墨烯表面形成有效金属镀层。进一步研究还发现,钯金属在氮掺杂石墨烯N-PG和C3N4单层二维纳米材料表面也有类似的生长机制。第五章分别讨论了用苯环基官能团(-Ph)和烷基官能团(-CnH2n+1)修饰对单层二维硅纳米片的稳定化作用。几何结构分析表明,在Si6H(6-n)Phn和Si8H4(CnH2n+1)4的最稳定结构中,修饰有机官能团均匀分布在二维硅纳米片上下表面,基团分布主要受到静电排斥作用的影响。电子结构分析发现,有机官能团修饰对二维硅纳米片电子结构的影响有限。其中,对Si8H4(CnH2n+1))4而言,材料能隙对修饰的烷基链长度n不敏感,却对外部应力十分敏感。另外,基于第一性原理(First-principles moleculardynamics,FPMD)和基于力场(Force-field molecular dynamics,FFMD)的分子动力学计算结果都显示,用-Ph和-CnH2n+1官能团修饰的单层硅二维纳米片在1000K温度下具有良好的热力学稳定性。第六章研究了三明治结构中晶格失配应变与二维纳米薄膜室温庞氧离子电导现象之间的关系。对KTaO3/YSZ/KTa03三明治结构而言,9.7%的晶格失配应变改变了YSZ薄膜中氧离子的分布,使氧离子迁移路径从原先的直线型转变为折线型,同时氧离子的跃迁势垒降低了0.2eV。过渡态搜索理论计算表明,由于结构应变的存在,YSZ薄膜中存在氧离子高速跃迁通道。FPMD计算表明,9.7%晶格失配应变下YSZ薄膜中氧离子跃迁势垒为0.33eV。与体相氧化锆相比,其氧离子电导率在500K温度下提高了8个数量级。研究还发现,YSZ薄膜中氧离子跃迁势垒高度与晶格失配度之间呈近似线性关系。第七章研究了硼氮杂化多孔石墨烯单层二维纳米材料(BN-PG)在可见光区域的光电转换效率增强。研究发现,与多孔石墨烯(PG)3.2eV的带隙相比,硼氮掺杂使BN-PG材料的光吸收峰发生红移现象,其带隙减小为2.7eV,进入可见光区域。该现象可以归因于BN-PG材料中B_p,N_p和C_p轨道之间的耦合作用。价带和导带电荷密度分析显示,BN-PG材料中的电子和空穴有效分离,降低了电子与空穴的复合几率,从而提高了材料的光电转换效率。另外,BN-PG单层二维纳米材料的带隙大小和光吸收特性都可以通过改变外部应力的方式进行调节。