二维材料，如:石墨烯、六方氮化硼、金属硫属化合物、过渡族金属氧化物，由于其独特的结构、电子、力学和光学性质受到广泛关注。MXene是一类新型的二维过渡族金属碳氮化合物，最近通过HF酸剥离去除MAX相中的“A”层制备得到。MXene具有丰富的化学组成，在复合、催化、传感器和能量存储领域有很好的应用前景。　　本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了典型MXene相Ti2C、Sc2C、Cr2C和Tan+l Cn的结构与物理性质，主要结论如下:　　(1)与前驱体相Ti2AlC相比，去除Al层后Ti2C单层在结构上整体向内收缩，具体表现为晶格常数、单层厚度、原子间距等晶格参量的减小。同时，电子性质分析发现Ti-3d电子会发生再分配现象，电荷会在表面Ti原子层发生聚集。费米能级上的态密度(N(EF))主要由Ti-3d轨道电子贡献，计算得到Ti2C的N(EF)值上大于Ti2AlC，表现出比更好的金属导电性。通过线性和非线性弹性两种分析方法，计算得到Ti2C面内刚度分别为130和143N/m，断裂应力和断裂应变分别为11.9N/m和16.6％。　　(2)通过内聚能和形成能计算，研究了Tan+1Cn单层及其前驱体相的相稳定性。结果表明，随着层厚的增加，Tan+1Cn的结构上更加稳定。弹性分析得到Ta2C、Ta3C2和Ta4C3的面内刚度分别为197、211和377N/m，和其他二维材料比较，Ta-C系MXene表现出非常优异的力学性能。在光学性质分析部分，计算了Tan+1Cn的介电函数实虚部、吸收系数、反射率和折射率，发现光学性质和单层厚度密切相关，尤其是在低能量区域，其吸收系数、反射率和折射率与单层厚度成正比关系。　　(3)基于GGA和GGA+U两种交换关联泛函研究了纯净Cr2C单层及表面存在F、OH、O官能团后各单层的电子、磁学和弹性性质，并分析了电子关联效应的影响。结果表明相较于官能团化后Cr2C单层，电子关联效应对纯净Cr2C的电子和弹性性质影响较大。纯净的Cr2C表现为铁磁性，结合电子结构发现磁性主要源自于Cr原子的自旋磁矩。表面存在F和OH官能团后转变为反铁磁性，表面官能团为O时是无磁性的，主要是由于Cr2C表面的电子非局域化特征，而当表面存在F、OH、O官能团后，单层内部电子表现出局域化特征。　　(4)纯净的Sc2C单层是没有带隙的，当表面存在F、OH和O官能团T后，会在费米能级处引入带隙，带隙大小分别为1.07、0.44和1.85eV。随后研究了Sc2CT2单层的光学性质，发现Sc2C(OH)2、Sc2CF2和Sc2CO2对入射光子的吸收起始点分别对应入射光波长2818、1159和670nm，首个吸收峰分别位于2.40、3.33和3.11eV处，对应绿光、近紫外光和紫光的能量范围。选择Sc2CF2作为对象，研究了3d过渡族金属掺杂体系的磁性，掺杂原子包括Cr、V、Ni、Fe、Co和Mn，结果表明纯的Sc2CF2是没有磁性的，Cr、Mn和Fe掺杂的Sc2CF2体系具有明显磁性，总磁矩分别为3.04、3.76和2.98μB。其中Cr掺杂体系仍然具有半导体性质，带隙为0.33eV，而Mn和Fe掺杂体系则表现出半金属性。　　(5)研究了H2在Ti2C表面的吸附、解离和扩散性质，发现在H2吸附过程中，H2分子会自发解离，吸附能为2.74eV/H2。通过计算电子态密度和电荷密度对H2的解离机制进行了分析。氢的扩散性质研究包括理想的Ti2C单层和存在C空位两种情况，发现不管是H在Ti2C表面上的扩散，还是穿透表面的层间扩散，C空位存在都会降低H原子的扩散能垒。