石墨烯是一种由碳原子呈蜂窝式六角形排列形成的一个单原子层厚的二维石墨薄片材料。石墨烯是零带隙半导体，具备优良的光和电性能，这在未来的高科技领域有许多潜在的应用价值。因此，最近几年石墨烯成为最典型的和最具有代表性的新型纳米材料之一，并在全球范围内引发了石墨烯研究热。 目前，石墨烯的特性研究尚处于探索阶段，为了进一步弄清石墨烯的结构和特性，理论模拟显得非常必要。基于密度泛函的第一性原理，本文探讨了单层、双层及三层石墨烯可能存在和已制备出来的多种结构，从理论上系统研究了它们的电子结构和光学性质。其创新之处体现在如下方面： 首先，分析了现有的计算理论和以往石墨烯计算的理论模型，指出现有计算模型中原子层A-A…堆积的不合理性。本工作中采用层晶模型计算石墨烯二维结构，更符合其微观特性。 其次，系统研究了各种堆积结构的单层、双层及三层石墨烯的能带及电子态密度，发现它们都是直接带隙半导体，堆积结构相同的单层、双层及三层石墨烯带隙的带宽随层数的增多而减小；在电子态密度中，费米能级附近，能带图中有带隙的地方电子态密度不为0，仍有很小的峰值，说明在禁带中有少量自由电子存在。 最后，研究了不同结构的石墨烯光学性质，发现A-B堆积层晶结构的石墨烯在紫外和可见光波段有很强的吸收与反射，甚至接近全反射，特别是双层石墨烯的A-B堆积，在33-7000nm宽波段的反射系数均高达0.985，可用于制作高反射膜；而A-A堆积层晶结构的石墨烯在紫外光波段有较强的吸收，在红外波段吸收很小。 本文研究的这些石墨烯光和电性能可应用于红外探测器，太阳能电池，量子效应器件等高技术领域。