新型炭材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质,从最硬到极软、全吸光-全透光、绝缘体-半导体-高导体、绝热-良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。纳米炭材料会表现出特异的光、电、磁、热、力学、机械等性能,成为当前世界科学研究的热点。基于密度泛函理论的第一性原理方法因其不依赖于经验参数而成为凝聚态物理、量子化学和材料科学中的主要研究手段。本论文对一些不同维度的新型纳米碳基材料,如:富勒烯,碳纳米管,石墨烯等进行了第一性原理的研究。研究内容如下:（1）使用密度泛函理论分别研究了符合和不符合五元环最大分离规则（IPR）的Tb₃N@C₈₄一系列异构体的结构和电子性质。结果表明笼上存在一对毗邻的五元环的不符合IPR规则的结构具有最大的能隙,显示出最好的动力学稳定性;满足IPR规则的Tb₃N@C₈₄化合物具有最好的热力学稳定性。Tb3N与C84之间的作用力主要是离子键,并且在费米面上Tb₃N@C₈₄较C84有大的电子分布,说明Tb3N的嵌入可以增强笼的导电性。（2）使用B3LYP/6-31G（d）方法对有机太阳电池中作为电子受体材料的富勒烯衍生物苯基C61丁酸甲酯（[60]PCBM）的同分异构体进行了计算。PCBM与C60通过六元环和六元环共用的C=C双键加成得到的产物是热力学控制产物;通过五元环和六元环共用的C-C键加成得到的产物则是动力学控制产物。[60]PCBM与C₆₀的第一绝热电子亲和势很接近。PCBM对前线轨道贡献很小,[60]PCBM的最高占据分子轨道（HOMO）和最低非占据分子轨道（LUMO）的电子云主要分布在笼上。PCBM提升了C₆₀的LUMO能级水平,有利于提高太阳能电池光电转化效率。自然布居分析表明PCBM与笼之间没有发生显著的电荷转移。所有的研究表明PCBM基团并不涉及电池光电转换的过程,但在调整C₆₀能级水平提高光电转换效率中发挥了重要作用。使用同样的方法也研究了[70]PCBM,得到了相同的规律。（3）通过第一性原理研究了Ag在碳管内壁的吸附和在管端修饰羧基和羟基基团上负载的情况。计算结果表明Ag可以被稳定的吸附在管内壁,在一定的直径范围内,这种吸附能力随着直径的增加而增加。对于Ag负载在修饰-COOH和-OH基团后的SWCNT上时,-COOAg的稳定性要高于-OAg。无论是单修饰-COOH或-OH基团,还是共修饰-COOH和-OH基团,只有第一个Ag是被稳定地化学吸附,之后吸附的Ag主要以物理吸附的形式负载在碳管的表面。这也从侧面说明实验中Ag离子在修饰后碳管中的负载主要以物理吸附为主。（4）使用密度泛函理论研究了修饰或掺杂Au原子后石墨烯（graphene）与半胱氨酸结合的能力和性质。Au-S之间化学键的作用增强了graphene与半胱氨酸之间的结合力。使用Au原子修饰或掺杂graphene,可增加graphene基底与半胱氨酸之间的电子转移,较多的电子转移改变了graphene基底费米能级附近的性质,改变了graphene的电导性质。计算结果表明Au原子修饰或者掺杂的graphene是一种潜在的检测半胱氨酸的传感器材料,会在检测富含半胱氨酸的金属硫蛋白等生物领域得到广泛的应用。本文也对Pt掺杂的graphene进行了研究,结果表明它也是一种好的半胱氨酸传感器材料。