1、本論文圍繞低維材料的化學活性及表面態(tài)性質(zhì)，采用第一性原理及模型分析方法，以幾個具體體系為例子，展示了對低維材料化學活性和表面態(tài)性質(zhì)進行調(diào)控的一些手段，取得了以下創(chuàng)新性成果：
　　 (1)小分子在過渡金屬團簇上的吸附：ⅰ)CO在Scn(n=2-13)團簇上的吸附具有明顯的尺寸依賴效應(yīng)：團簇尺寸小于10時，吸附能隨尺寸變化呈奇偶震蕩，n=5、7和9對應(yīng)著峰值，對應(yīng)較高的化學活性。CO的吸附可以降低某些尺寸的Scn團簇的磁性，如SC1

2、3的磁矩從19μB降低到5μB。ⅱ)N2和NO在釩團簇Vn(n=2-13)上的吸附具有不同的尺寸依賴性質(zhì)。前者對尺寸的依賴比后者強。在不同的釩團簇上，既有N2和NO的解離吸附又有分子吸附。同樣的N2和NO的吸附會影響團簇的磁性，N2能使釩團簇磁矩減小或不變，而NO既可以使其減小也可以使其增大。
　　 (2)氫與不同維度納米材料的相互作用：ⅰ)金屬修飾的Ca12B80和Sc12B80團簇具有優(yōu)異的儲氫性能，儲氫質(zhì)量百分比分別達到9

3、.0wt.％和7.9wt.％。兩個體系的儲氫機理不同：Ca12B80主要通過電場極化作用吸附H2，而在Sc12B80體系中，Dewar-Kubas作用與電場極化作用均起了重要作用。在同一個體系存在兩種不同吸附機制，在類似研究中尚屬首次發(fā)現(xiàn)。ⅱ)結(jié)合第一性原理與力學模型，我們系統(tǒng)研究了如何通過選擇性氫化控制單壁碳納米管(SWNT)橫截面形狀。提出了一種不同于傳統(tǒng)的通過塑性形變或屈曲方式減小應(yīng)力的方法，發(fā)現(xiàn)通過將完全氫化的SWNT(FH-S

4、WNTs)管內(nèi)幾排H翻到管外，可以使體系的彎曲應(yīng)變能大大降低，從而控制SWNT橫截面的形狀(如三角形、四邊形)。ⅲ)我們進一步研究了在二維金屬量子薄膜中，改變薄膜厚度以及表面修飾對氫透過率的影響。發(fā)現(xiàn)受量子尺寸效應(yīng)(quantum size effect，QSE)的影響，某些厚度的薄膜具有非常高的穩(wěn)定性；同時，QSE還會影響薄膜對氫的化學活性，進而影響氫擴散過程的速率，在很大范圍內(nèi)調(diào)控穿過這些薄膜的H2流量。另外，在Pd量子膜的滲透側(cè)覆

5、蓋一層與H作用較弱的Cu或Ag單分子膜會明顯減小H在表面的化學吸附勢阱深度且不引入其它更高能壘，從而使H2流量在500K左右時提高幾個數(shù)量級。
　　 (3)拓撲絕緣體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的近鄰效應(yīng)：我們研究了如何利用雙向近鄰效應(yīng)精確調(diào)控拓撲絕緣體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中拓撲表面態(tài)(Topological surface state，TSS)在垂直于薄膜方向上的空間位置。我們的計算表明，通過在拓撲絕緣體(Bi2Se3或Bi2Te3)表面沉積一層普通絕緣體