十世纪九十年代以来,低维碳纳米结构材料的研究一直是物理、化学、材料学等多学科交叉的热点之一。碳原子以sp2杂化形式构成六角形蜂窝状结构,并有序排列组成包括一维碳纳米管和二维石墨烯在内的低维碳纳米结构材料。由于其独特的结构特征,这些低维度碳纳米结构材料具有优异的性质：例如高弹性模量,高机械强度,高热导率,高载流子迁移率以及大比表面积等。低维度碳纳米材料目前被认为是后硅时代的重要替代材料,其与金属构成的复合纳米结构不但拥有原先单体各自的物理化学特性,同时还具有特殊的增效协同作用,从而进一步拓宽了碳纳米材料及其复合体系的应用范围,有望在电学、光电、力学、传感、能源、催化等诸多领域展现其迷人的色彩。本论文基于第一性原理以及分子动力学方法,对碳/金属复合纳米结构的空间构型、电子掺杂特性、自旋轨道耦合机理以及热输运过程进行了研究,在此基础上对调节其结构性质及利用复合结构收集核衰变能应用方面也进行了探索性研究。基于密度泛函理论,本论文进行了石墨烯/金属复合纳米结构的基本性质以及张力作用对界面吸附和电性掺杂调控的研究。石墨烯/金属接触面的物理性吸附不会破坏石墨烯狄拉克点附近独特的线性关系,但却面临巨大的应用挑战,即石墨烯和金属之间非常弱的界面结合(～30meV)使其在常温条件下会出现解离问题。计算发现施加适当的界面张力,可以明显减小石墨烯和金属的面问距并极大地增强界面结合(最大增强315%),从而简单有效地克服界面解离问题；同时张力作用可以在102量级上调制石墨烯中的载流子浓度。研究表明该界面变化的物理机制为增强的pd相互作用和张力所致的界面偶极子相互作用。采用全势线性缀加平面波方法,本论文研究了石墨烯/金属复合纳米结构的自旋轨道耦合效应及其增强机理,探讨了原子序数和pd相互作用对自旋轨道耦合劈裂的影响。研究中,我们采用了低原子序数的金属铜与石墨烯构成复合纳米结构,重点研究了金属的存在对石墨烯狄拉克点附近的自旋轨道耦合效应的影响。计算结果表明,复合结构中金属铜使石墨烯π态产生了-2meV的自旋轨道耦合劈裂。自旋轨道耦合劈裂在不改变金属类型而只增加界面3%张力的条件下,最大值出乎意料地增加到-83meV。对石墨烯π态成分的分析表明此张力调控下的巨大自旋轨道耦合劈裂是碳原子pz态与铜dz2态混合所致。结果首次证明了在低原子序数的3d金属上,石墨烯可以在狄拉克点实现巨大的旋轨劈裂,对金属衬底上石墨烯旋轨耦合效应增强机理的认识有进一步推进。基于含时密度泛函理论,本论文对石墨烯/金属复合纳米结构用于收集α核衰变能进行了模拟研究,重点关注电子在辐射受激条件下的转移和重分布过程,该研究的目的是了解碳/金属复合纳米结构能量转化的基本物理机制,为利用碳/金属复合纳米结构实现衰变能向电能的直接转化提供理论基础。研究结果表明,衰变α粒子入射石墨烯/金属复合结构后,大量衰变粒子能量被复合结构吸收,其中绝大部分的能量沉积由金属贡献。结果表明,复合结构吸收衰变粒子能量后金属层的受激电荷能够获得足够高的能量克服界面势垒而积聚于石墨烯层；石墨烯层上的受激电子能量由于电声相互作用受到抑制,使得其能量传递主要在层内以电子传递为主运用分子动力学方法,通过精确控制碳纳米管中晶格的振动模式,本论文还研究了碳纳米管中的热脉冲的传输过程和机理。结果表明不同振动模式激发的热脉冲在碳纳米中的传播以不同种波包形式进行,传播的波包构型强烈依赖于初始振动模式。研究还表明传播速度最大的纵声学波具有孤子特定,其传播过程对空位缺陷具有较强的稳定性。