光阴极材料作为电子辐射源的核心部件,可应用于X-ray能量回旋加速器、X-ray自由电子激光器、超快电子衍射系统、超快电子显微技术和冷冻电子显微镜等领域。不同的实验系统对电子源具有特殊的要求,理想的电子源材料应该具有光电转换效率高、工作状态稳定和电子分布集中等特点。相较于传统的金属光阴极材料,半导体光阴极种类丰富,且可通过体系掺杂、表面修饰、外场应力等手段,对阴极的电子发射特性进行调控。另一方面,随着材料合成方式、表征手段和仪器设备的不断发展,以层状二维（2D）材料为代表的材料体系不断扩展,它们具有新颖的电子、机械、光学、热力学和磁学特性等,被广泛应用于能量存储、气体监测、催化节能和压力传感等领域。以锑化铯（Cs3Sb）为代表的碱金属型半导体光阴极具有高量子效率、低电子发散度、光谱响应快等特点,环境因素对Cs3Sb的结构稳定性的影响明显,量子效率随时间衰减的速度较快。相比于传统的涂层材料,具有优异性能的2D层状材料可作为理想涂层,在保护光阴极材料的同时,改变体系的功函数、量子效率、电子发散度等性能参数。通过以密度泛函理论为代表的第一性原理计算模拟,研究分析一系列不同种类的2D-Cs3Sb异质结的几何结构和电子特性,分析各类型2D材料对2D-Cs3Sb异质结功函数、量子效率和电子发散度等参数的影响规律,为碱金属光阴极的表面保护、材料生长和性能改性提供理论指导,进而有效拓展光阴极的实际应用。本论文主要包含六章内容:第一章,介绍本论文的研究背景、研究意义和主要创新点,主要包含电子源的应用领域、光阴极材料分类和生长,电子发射参数的数值推导和实验测量。第二章,介绍本论文采用的理论计算方法和软件。主要包含量子化学的介绍,密度泛函理论的发展历史和现状,VASP、VESTA、MS和VASPKIT软件、本课题组开发的2DHS Maker程序的简要介绍。第三章,基于2DHS Maker程序构建222种2D-Cs3Sb异质结,通过密度泛函理论计算,模拟分析2D-Cs3Sb异质结的几何结构和电子特性,筛选出电子发射特性优异的光阴极,包括功函数减小的Rb2Cl2-Cs3Sb和Na2Pd H2-Cs3Sb异质结,功函数近似不变的Na2（OH）2-Cs3Sb、Ca（OH）2-Cs3Sb、BN-Cs3Sb等异质结。计算结果发现,二维材料的电子亲和势与2D-Cs3Sb异质结的功函数有强相关性,相关系数为0.818;异质结形成过程中电荷发生了趋向性移动,能带校正和差分电荷密度图表明,异质结功函数的变化与形成界面的电荷转移方向和界面偶极矩密切相关。第四章,基于MXene材料数据库构建88种M2CT2-Cs3Sb异质结,通过密度泛函理论模拟,分析了M元素、M/C原子比、对称性、堆垛位置和修饰基团,对M2CT2-Cs3Sb异质结的几何结构和电子特性的影响。通过计算发现,带-OH和-OCH3修饰基团M2CT2-Cs3Sb异质结相比于未涂层的Cs3Sb功函数减小,系统分析了M2CT2的能级参数与M2CT2-Cs3Sb异质结功函数间的相关性。最后,揭示了异质结功函数减小的原因,主要来源于M2CT2层向Cs3Sb表面发生电荷转移,进而导致了界面偶极的形成并促进了电子的逃逸。第五章,基于前两章筛选出的潜在异质结结构,选取BN-Cs3Sb和Ti2C（OCH3）2-Cs3Sb异质结为代表,通过理论计算系统地分析其结构稳定性、电子态密度分布、应力响应和光谱特性等。结合一维和二维能带计算,进一步研究了层数相关的2D-Cs3Sb异质结的电子特性,研究表明随着涂层厚度逐渐增大,电子发散度先减小后增大,当Ti/C比例为3:2、BN的层数为3时,异质结光阴极的电子发射特性最优。第六章,对本论文的研究内容进行总结,并对未来拟开展的研究工作进行进一步展望。