在结构可控、可组装裁剪和具有较长自旋寿命的有机分子器件中,电极与分子界面的性质以及电极材料本身对电子的注入与输运至关重要。常规金属体电极与分子接触界面构型实验上难以控制,结果重复性差而难与理论计算比较。近年相继成功制备的石墨烯及硅烯、磷烯等二维晶体材料与分子界面构型容易确定,且具有Dirac电子迁移率高、相干长度大、电子结构易调控等特点,是理想的分子结子电极材料。本学位论文中,我们主要用基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的量子化学从头计算方法,研究几种典型有机分子在石墨烯纳米条带电极间的自旋-电荷输运性质,获得了与金属电极相应分子结不同的一些有趣结果。用体系透射系数、局域态密度及电极能带结构、分子投影自洽哈密顿本征态与前沿轨道等分析手段,来理解和解释其自旋相关输运的微观机理。研究目的是为构建新型分子电子器件研究提供更多的备选电极材料。全文共分为七章,其中第三至六章为我们自已的工作。首先在前两章介绍(自旋)分子电子学及其器件的研究进展,较详细地综述石墨烯、石墨炔二维材料及其纳米条带的微观结构和电学性质,以及作为有机分子器件电极的研究进展与现状。其次,简要论述本论文的立项依据与背景、主要研究内容与科学意义。此外,还简要介绍了纳米/分子体系量子输运理论和数值计算方法,即本文工作中所采用的方法与理论依据,包括密度泛函理论、第一性原理计算方法、格林函数方法以及相关的软件包。在第三章中,我们研究聚对苯乙烯分子和两锯齿边缘石墨烯纳米条电极构成的分子结的自旋电子输运性质。研究结果表明,通过调控分子与电极的位形,该分子结能够实现开关、自旋过滤、自旋二极管和负微分电阻(NDR)等效应。并用局域态密度、自旋透射谱分析等手段,着重分析了分子开关效应的形成机制,揭示了自旋过滤和整流效应的形成原因是中心区分子轨道的不对称分布和石墨烯纳米电极的耦合作用。第四章研究硝基和氨基等侧基取代对锯齿型石墨烯电极聚对苯乙烯分子结的调制作用,着重比较不同的侧基取代对分子结电子输运性质产生的影响,发现NDR和分子整流效应。通过分析可知,NDR行为起源于在某些偏压下电导通道受到压制,而分子整流效应是由于最高占据态轨道或最低未占据态轨道的不对称分布以及分子与电极之间的耦合作用形成的。有趣的是,分子结的输运性质能够通过氨基(NH2)或硝基(NO2)取代来改进,氨基取代能够增强分子结的NDR效应,而氨基和硝基取代都增强分子结的整流行为。特别地,氨基取代使分子结产生的NDR效应中峰谷比极大地提高,官能团使分子结的整流比超过103的数量级,最大值达到2863,从而得到一个完美的整流器件。第五章研究外加磁场下,锯齿型石墨烯纳米电极之间分别夹杂4,4’-双氮杂苯,4,4’-乙烯基双氮杂苯和4,4’-饱和碳链双氮杂苯三种氮杂苯分子构成的分子结的自旋输运性质。结果显示,分子结的电荷输运性质在磁场的调制下能够显示出双自旋过滤、整流、负微分电阻、巨磁阻效应等有趣的输运行为。4,4’-双氮杂苯分子结的自旋磁化率能够达到100%,其整流比高达104,NDR行为的峰谷比达到328。此外,我们还发现此分子结具有高达106%的磁致电阻比。通过分析前线分子轨道的演变、自旋相关透射谱、零偏压下费米能处的局域态密度、MPSH能级分布等,解释这些物理现象的内在形成微观机理。在第六章,为探索边缘氢或氟钝化对α石墨炔的影响,我们设计了纳米尺度的扶手椅型α-石墨炔纳米条带夹杂在半无限长的锯齿型α-石墨炔纳米电极之间构建而成的Z字型分子结,研究其在不同磁化组态下的自旋输运行为。研究结果表明,边缘钝化对Z字型α-石墨炔纳米条带分子结起到至关重要的作用,其电子输运行为主要取决于体系的边缘态。有趣的是,边缘单氟钝化能够增强电荷输运,但边缘双氟钝化却压制了相关的边缘输运通道。特别地,分子结出现了明显的NDR效应且最高峰谷比为4696。最后重点分析了负微分电阻效应的形成机制等。