压电材料是指受机械应变时体系表面产生电荷积累的材料,其已成为当前一类非常重要的功能材料体系。近年来,受到设备小型化便携化需求的推动,纳米尺度压电材料的研究备受关注。自Wang和Song[1]于2006年用ZnO压电纳米线制造出了纳米发电机的原型以来,各种纳米尺寸的压电传感器、压电电子器件、压电光电子器件已屡见报道。然而,纳米材料的结构与压电性质之间关系的研究尚处于起步阶段,压电效应在纳米尺度下的微观机理尚不清楚,有必要开展深入的实验和理论研究。在本博士学位论文中,我们采用第一性原理计算方法研究了几类低维材料的压电性质,包括如下六章内容。第一章,我们主要介绍压电纳米材料相关的背景知识。首先回顾了压电效应的基本概念、压电系数的定义、以及压电性质与晶体对称性的关系。其次,分别从实验工作、模拟计算和理论成果三个方面总结了压电纳米材料的研究进展。最后给出了本文的研究动机及内容。第二章,我们简要地介绍了第一性原理计算方法的基本原理和理论框架、压电系数的计算方法、以及本文采用的计算软件。第三章,我们关注的是纳米线压电增强效应。一些实验和理论计算的研究表明压电效应在纳米尺度下出现增强现象。本章对几种报道较多的纤锌矿纳米线的压电增强效应进行了系统研究,发现由于自由侧表面附近离子和电子的径向移动导致的表面效应是造成ZnO纳米线压电增强的关键原因。当我们固定轴向晶格常数,发现纳米线的压电系数可以通过用体相压电系数附加表面修正而获得,进而计算出六角和三角截面ZnO纳米线在大尺寸下的压电系数,预测出实验尺寸材料的压电性能,有利于理解相关实验观测结果。第四章,我们研究了各种表面修饰对ZnO纳米线压电系数e33的影响。通过研究H2,Cl2,HCl和HF解离吸附的稳定性、及其对压电系数的影响,发现这些解离吸附均能够有效稳定纳米线表面,单质分子的解离吸附形成的原子对偶极矩很弱,而二元化合物分子的解离吸附会在表面形成和Zn-O对类似的有较强偶极矩的原子对,使得修饰后的体系和裸纳米线的压电性能相当。在本章的结尾处,我们还研究了纤锌矿核壳结构纳米线的压电性能。第五章,我们提出了一种计算局域压电系数的方法,并将其应用于压电薄膜的研究。我们采用最大局域化电子Wannier函数的办法,给出了电子在实空间的近似分布。在保持电中性的条件下,对离子和电子进行区域划分,从而计算出不依赖于参考位置选择的局域压电系数。选择既无压电也无极化的岩盐MgO薄膜、有压电但无极化的闪锌矿ZnO薄膜和同时有压电和极化的多种纤锌矿薄膜作为研究对象,计算它们沿着面外方向的局域压电系数分布,发现薄膜的压电性质显著依赖于表面对称性。如(001)和(110)表面的岩盐MgO薄膜的压电性能对表面无明显依赖关系,而如果表面能破坏体相对称性,如(110)表面的闪锌矿ZnO薄膜,则在薄膜中出现体相中不存在的非零压电系数分量。我们还观察到纤锌矿薄膜在(100)表面的局域压电系数表现出了与价态的依赖关系,推测其原因来自于孤对电子数目对泊松比的影响。第六章,我们尝试研究了压电性质与其它物性之间的耦合。我们先研究了磁性对于BiFeO3和BaMnO3的压电性质的影响,发现磁结构与平衡晶格常数的关联促成了磁性和压电性的耦合。其次我们还研究了新发现的极化金属LiOsO3薄膜的铁电性质,发现LiOsO3薄膜厚度与屏蔽深度相当时薄膜有电极化,且可通过施加电场将极化翻转获得一个不完全对称的铁电态,而较厚的LiOsO3薄膜则呈现出反铁电或者亚铁电性。