石墨烯的发现打破了二维材料在常温常压下不能稳定存在的传统观念,从此开启了二维材料研究的新纪元。由于其自身独特的结构特点和新奇的物理化学特征,石墨烯在电子学、光电子学和能源等诸多领域具有广泛的应用前景。单原子层厚度是材料特征尺寸减小的极限,几乎所有的原子均处于表面,实际应用中界面效应异常凸显,主导着材料的物理化学特征。不仅如此,基于层状结构的特点,通过弱的范德华力将不同的二维材料堆叠在一起形成异质叠层,通过层间量子耦合作用可进一步诱导出新特性和新功能,对集成各种光电子器件具有极其重要的意义。因此,揭示电子结构的界面效应及调控机制是二维材料设计与应用的先决条件,可为石墨烯与氮化镓二维异质层复合材料在电子元器件中的应用提供理论依据和技术支撑。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,以石墨烯/GaN异质结为研究对象,系统研究了空位、掺杂效应及应变等对石墨烯/GaN异质结层间电荷转移、电子态及电学特性的影响规律,阐明了界面效应对二维异质结特性的影响机理,以及层间距、应变和掺杂对石墨烯/GaN异质结电子特性的调控机制。通过以上研究,可获得以下主要结果。(1)研究了石墨烯/GaN异质叠层电子态及接触特性对层间距和空位缺陷的依赖性。研究结果发现当GaN堆叠在石墨烯上,电子结构变成了石墨烯和GaN的两者之间的叠加。通过固定石墨烯层,使GaN层上下移动来改变它们之间的层间距以调控层间交互作用,随着层间距的增大,异质结由欧姆接触转变为p型肖特基接触。通过随机去除GaN层中某一个Ga原子或N原子构建界面缺陷,研究了结构缺陷对石墨烯/GaN异质结的电子态和磁性的影响。发现存在Ga空位时,体系的磁性为1.65μB,而存在N空位时并不能引起体系产生磁性,且不同的原子空位导致的接触势垒类型也不相同。(2)系统研究了应变调控石墨烯/GaN异质结电子态及接触特性,揭示了异质结带边位置随应变的变化规律,并建立了电子变化与应变之间的关系。通过改变晶格常数a而保持晶格常数b不变来实现对石墨烯/GaN异质结加载单轴应变;通过同时改变晶格常数a和b,且变化量同步来实现对石墨烯/GaN异质结加载双轴应变;而通过增大晶格常数a,同时等量减小晶格常数b以实现对异质结加载混合应变,系统探究应变对异质结电子态及接触特性的影响。研究结果表明,随着加载单轴或双轴压缩应变的增加,层间电荷转移导致GaN电子态移动,与石墨烯始终形成p型肖特基接触。随着加载单轴或双轴拉伸应变的增加,GaN与石墨烯接触类型发生p型接触/欧姆接触/p型接触的转变。随着加载混合应变的增加,GaN与石墨烯接触类型出现p型接触/n型接触的转变。(3)探究了掺杂对石墨烯/GaN异质结电子态及接触特性的影响。通过C原子替代Ga原子或O原子替代N原子,实现对石墨烯/GaN异质结n型掺杂;通过B原子替代Ga原子或N原子,实现对石墨烯/GaN异质结p型掺杂。研究发现,通过对GaN进行n型和p型掺杂,石墨烯/GaN异质结电子结构整体向低/高能态移动,GaN的导带底和石墨烯狄拉克锥均位于费米能级以下,形成欧姆接触;通过改变层间距,一定程度上可调控掺杂后石墨烯/GaN异质结的电子态及接触特性,但效果并不是显著。(4)通过对B(O)原子替换Ga(N)原子p(n)型掺杂石墨烯/GaN异质结加载单轴、双轴及混合应变,综合考察了层间电荷转移、带边相对位置变化,分析了掺杂和应变双重效应对石墨烯/GaN异质结的电子态及接触特性的影响。随着加载单轴应变的改变,BGa掺杂石墨烯/GaN异质结由肖特基接触转变成欧姆接触;随着加载双轴应变的改变,能够发生n型/p型/欧姆接触的转变。加载任意应变,ON掺杂石墨烯/GaN异质结始终表现为欧姆接触。另外,加载单/双轴压缩应变显著影响存在缺陷的石墨烯/GaN异质结层间交互作用,加载单/双轴拉伸应变的增加使得GaN带隙宽度明显减小,加载混合应变将会导致石墨烯/GaN异质结发生p型/n型接触接触的转变。