1、低維材料是當前凝聚態(tài)物理和材料科學領域的研究熱點，石墨烯和碳納米管的制備和性能研究推動了該領域的發(fā)展。石墨烯材料具有一系列獨特的物理性質，例如:零帶隙半導體，高載流子遷移率，最薄的晶體，超高的剛性和彈性，極高的電導率等優(yōu)異的性能具有廣泛的應用前景。碳納米管可以看成由石墨烯卷曲而成的一維結構。根據(jù)手性、直徑、堆疊方式的不同展現(xiàn)出規(guī)律可調的電學，熱學和機械性質，例如比金剛石還要高的熱導率，超強的機械性能，扶手椅狀納米管規(guī)律性變化的帶隙等，碳

2、納米管被認為是下一代電子元器件的理想材料。
　　石墨烯的應用還是會受到很多限制，例如其零帶隙的半導體性質必須通過化學修飾等方式打開帶隙，才能應用于邏輯電路等電子元器件中，石墨烯的自旋軌道耦合效應特別弱，無法在實驗上實現(xiàn)量子自旋霍爾效應，石墨烯不存在自旋極化等等。碳納米管在可控合成方面也面臨很多困難。這些問題都限制了石墨烯和納米管的實際應用范圍。基于此，一種被稱為“類石墨烯”的材料應運而生，這些類石墨烯及納米管材料具有石墨烯的部分奇

3、特性質，比如硅稀和鍺烯是零帶隙半導體的性質;某些特性甚至優(yōu)于石墨烯，例如具有自旋極化零帶隙半導體性質的氮化碳納米材料。隨著理論和實驗工作的研究進展，類石墨烯納米材料在未來的電子技術，通訊技術，機械制造，環(huán)境保護，能源動力等各個方面擁有廣泛的應用前景。
　　本論文通過基于密度泛函理論的第一性原理研究方法，設計研究了幾種具有新奇特性的類石墨烯納米材料。鍺化硅(SiGe)納米單層是具有零帶隙半導體性質的類石墨烯單原子層化合物，二維氧化碳

4、氮材料(g-C2NO)的自旋極化零帶隙半導體性質拓展了類石墨烯氮化碳材料的研究范圍，新型超硬材料bct-C8來源于冷壓T型石墨烯。一氧化碳(CO)納米管束結構代表了固體一氧化碳低壓下穩(wěn)定的新結構，二氧化硅(SiO2)納米片層和納米管在生物制藥，催化劑載體等領域具有潛在的應用前景。上述材料的研究結果對于類石墨烯納米材料的實驗合成及應用提供了重要的理論依據(jù)。
　　論文的第一章主要討論研究背景和選題意義，第二章討論基于密度泛函理論的第一

5、性原理研究方法，結構設計方法以及在論文中所使用到的軟件包，第三章至第六章詳細的介紹了攻讀博士學位期間的主要研究工作和研究成果。主要研究內容和結果如下所示:
　　1)提出了由硅原子(Si)和鍺原子(Ge)交替排列形成的穩(wěn)定的鍺化硅(SiGe)單層化合物，該材料是具有狄拉克錐能帶的類石墨烯化合物。由于硅元素和鍺元素的電負性相差很小，費米面附近錐帶的來源是兩種原子的pz軌道，自旋耦合效應很弱，但是區(qū)別于單質石墨烯，SiGe單層具有選擇吸

6、附性，能夠首先在硅原子上完成氫化作用，合成具有自旋極化性質的半導體HSiGe。該半導體具有鍺原子貢獻的1μB每原胞的磁性，鐵磁態(tài)最穩(wěn)定，根據(jù)伊辛模型進行蒙特卡洛模擬證明在溫度低于110K時HSiGe保持鐵磁態(tài)性質。另外在能量上優(yōu)于鍺烯，因此更有利于實驗合成。
　　2)提出了由三嗪和碳氧環(huán)組成的類石墨烯氧化碳氮材料g-C2NO，聲子譜和分子動力學模擬均驗證了該材料的穩(wěn)定性。g-C2NO具有自旋極化的零帶隙半導體性質，每個原胞具有1μ

7、B的磁矩，在費米面上下，兩條不同曲率的能帶相切，使得電子和空穴兩種載流子有效質量相差很大，有助于自旋注入和自旋過濾。與純g-C6N6相比，氧原子的加入，使g-C2NO費米面升高，g-C6N6中pz軌道貢獻的導帶，在g-C2NO中成為費米面附近的兩條相切能帶，從而產生自旋極化的零帶隙半導體性質。作為不含金屬的有機二維材料，g-C2NO具有環(huán)境友好的特點，在自旋電子器件領域具有應用潛力。
　　3)在冷壓T型石墨烯的基礎上設計出一種新型

8、的高對稱性超硬材料bct-C8。在能量上，bct-C8比T型石墨烯更穩(wěn)定，其聲子譜沒有虛頻。盡管相對于其它超硬材料bct-C8擁有較大直徑的8元碳環(huán)構成，但仍表現(xiàn)出較好的力學特性，在同密度材料中，它的硬度是最強的，在相同硬度的范圍內，bct-C8的密度是最小的。能帶結構顯示，該材料為寬帶隙半導體。作為碳元素家族的一個新成員，bct-C8的研究將對超硬材料的設計提供新的思路。
　　4)研究了Ⅳ族硅（碳）氧化物的低維結構，提出了SiO

9、2類石墨烯結構，即由Si-O六邊形組成的雙層結構，層間由Si-O-Si鍵連接。證明該類石墨烯結構比其它納米結構更穩(wěn)定。由該結構出發(fā)通過AB堆垛可以形成穩(wěn)定的多層結構。由SiO2準二維材料卷曲得到的納米管最小直徑約為12(A)。類石墨烯SiO2納米材料的結構孔徑為5.23(A)，相較于僅有2.48(A)的石墨烯結構，類石墨烯SiO2納米材料在分子篩選，催化反應，緩釋微膠囊等領域有著獨特的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗?，從理論上預言了一氧化碳(CO)一個新