独特的几何结构使螺旋纳米材料在光电调制、力学传感和量子电感等器件领域拥有重要应用前景。目前,螺旋纳米结构只能通过螺旋位错生长和化学环化作用等方法进行粗略合成,实验制备的难度限制了螺旋纳米材料的研究进展。如今正处于低维材料“百花齐放”的时代,随着纳米制备工艺进一步发展,螺旋纳米材料体系终将实现可控制备。在此之前,理论研究螺旋纳米材料的基本物理性质将具有十分重要的意义。本文从第一性原理出发,构建几种具有螺旋几何特征的碳基纳米材料结构模型,结合量子力学密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数方法（NEGF）对其电子结构和输运性质进行系统研究与分析。阐述应变、异构及掺杂等调制作用的内在物理机制,并对其应用于纳米机械弹簧、应力传感、纳米螺线管以及量子电感等器件领域进行展望。本文中,聚焦于较为前沿的螺盘石墨烯、螺带石墨烯、螺旋异质纳米管以及一维碳硫螺烯四种碳基螺旋结构体系,具体内容如下:螺盘石墨烯,同时具有单层石墨烯面内几何结构和多层石墨烯层间堆叠结构特征。通过对其电子结构的研究,定义了层间耦合和层内耦合两种π电子相互作用。轴向应变诱导下,螺盘石墨烯可发生金属—半导体、自旋简并—自旋极化以及间接带隙—直接带隙三重相变,内在物理机制源于层间耦合的构建与破坏。基于电子输运性质的研究发现,螺盘石墨烯中相应地存在层间隧穿和层内传输两种输运特征,二者间的竞争机制可在轴向应变、边缘异构和宽度效应的作用下进行有效调节。螺带石墨烯,通过卷曲石墨烯纳米带构建而成。研究表明,在1～6 nm螺距变化范围内,展现出超高的机械柔韧性,形变能最小可达0.06 e V。基于对态密度和能带结构分析可知,螺带石墨烯始终保持着其直带结构π电子耦合特征。螺距的改变可对手扶椅螺带石墨烯的直接带隙产生明显的调制效果,但其依然保持着3p、3p+1和3p+2的分类规则。锯齿螺带石墨烯的电子结构和输运性质对螺距的改变并不敏感,展现出较高的稳定性,较强的边缘态成为其应用于纳米螺线管和量子电感器件的先天优势。为打破碳纳米管难以诱导螺旋电流的局限,提出了构建螺旋异质纳米管诱导纯净螺旋电流的设想。考虑所有可能的排列组合,最终确定了构建单一方向螺旋界面态规则。即锯齿碳链的数目小于4时,硼氮区域才能够提供足够高的势垒将离域π电子限制在螺旋界面处,从而在费米能级附近构建螺旋界面态,为载流子提供螺旋传输通道。结合半经典模型,3 V外施偏压诱导下,反平行螺旋纳米管可产生的磁感应强度约0.1 T,足以诱导自旋极化现象的产生。一维碳硫螺烯体系几何结构与螺盘石墨烯类似,具有层间耦合和层内耦合两种电子相互作用机制。比较而言,由于π电子更为局域,碳硫螺烯体系的层间电子耦合作用较弱,为间接带隙半导体。在轴向应变的作用下,实现了碳硫螺烯禁带宽度从0.22 e V到3.60 e V大范围调制。碳硫螺烯的弹性常数小于石墨烯、碳纳米管和碳原子链等低维材料三个数量级,展现出优异的柔性力学特征。