自石墨烯被发现后,二维材料进入人们的视线。随着对二维材料的研究,相比于三维材料,二维材料的结构差异使其具有很多独特的优异性能,继而被广泛关注。目前,随着透明导电薄膜的发展,拥有高的可见光透射率和导电性是十分重要的。由于尺寸效应,新型的单层ZnO拥有更加独特的性能,包含透射率增加,光学带隙增大等。通过掺杂和吸附可以改变单层ZnO的结构和性能,调节材料的导电性,使得单层ZnO具有很大的前景被应用于透明电极材料和传感器。本文采用密度泛函方法(DFT)对单层ZnO和掺杂金属元素(Al、Ga和In)的单层ZnO进行第一性原理研究。通过对掺杂后体系的结构,电学性能,光学性能和吸附性能进行优化计算,进一步探索金属元素掺杂后结构和性能的影响,并从电子层次上揭示掺杂作用的微观机理。掺杂Al的单层ZnO的带隙大于本征单层ZnO的带隙,光学透光率增大,导电性增强。同时,与掺杂Al的ZnO体结构进行对比后发现,Al掺杂单层ZnO材料的透光性增强,并具有很高的导电性。这些特征使得掺杂Al的ZnO单层材料可作为一种更具有前景的透明导电薄膜,应用于光电器件。在此基础上,对同一主族的金属元素(Al,Ga和In)掺杂单层ZnO进行对比。通过分析后发现,当Al、Ga和In的掺杂浓度低于12.5 at.%时,在可见光区域和紫外区域的平均透射率能达到99%。同时,掺杂后单层ZnO的导电性增强。特别地,在相同的条件下,低浓度的In掺杂单层ZnO具有更高导电性,在透明电极领域具有潜在应用。此外,对单层ZnO的吸附性能进行研究。二维材料由于具有特殊的结构特性,能够作为很好的气体传感器。研究表明CO分子能够吸附在Al、Ga和In掺杂的单层ZnO表面。Al、Ga和In掺杂的单层ZnO在CO吸附后,带隙变小,引入杂质能级,增强单层ZnO和吸附气体之间的相互作用,并在导带底附近产生浅施主态,载流子浓度增加,光学性能发生改变。