纳米结构材料是材料科学在21世纪的研究前沿之一。其中管状纳米结构材料已构成了纳米材料研究中的一个非常重要的类别。准一维的管状纳米结构材料与同种元素成分的块体材料相比，不仅几何结构上有差异，而且在力学、热学、磁学、光学等方面也有其显著不同的特点。它的存在预示着一个新研究领域的出现，一个新的令人难以捉摸的纳米世界正等待人们去探索。人们在这一领域内的不懈探索，发现了许许多多奇妙现象，开辟了纳米科学基础研究和应用开发的新天地。 本文主要着眼于碳纳米管和金纳米管，从理论和数值模拟的角度来研究它们的结构特征、电学、磁学及光学性质等。 在第一章中扼要回顾了纳米科技的发展历程，以及现有的有关管状纳米材料的理论研究和实验结果。 在第二章，我们将分别在2.1.1和2.2.1两个小节里简要介绍单壁碳管和单壁金管的基本结构和标记方法。紧接着在2.1.2和2.2.2两小节中将通过对石墨、金平面的对称性和单壁碳、金管的一维性质的联系，描述一下碳、金纳米管的特殊电子结构。碳管随其半径以及螺旋度的不同有可能表现出金属或者半导体的性质，它的准一维几何结构会造成其电子态密度(Density of States，DOS)中出现范霍夫奇异峰(Van Hove Singularities，VHS)。由于VHS的存在，相同带指标的跃迁所导致的光吸收会很强烈，并且这种强的光学效应在金属管和半导体管中都会发生，所以光学测量手段是探测碳管物性的一个重要手段。金管的电子结构远没有碳管那么复杂。所有的金管都是金属管，在费米面处都有能带穿过。 第三章是本论文的理论基础部分。固体能带理论是凝聚态物理中最成功的理论之一。固体的许多基本物理性质原则上都可由固体的能带理论阐明和解释，或需要对具体材料的能带结构有所了解。固体能带理论的主要任务是确定固体电子能级，也就是通常说的能带。目前对固体性质的计算主要是两种，即经验或参数方法以及从头算方法。我们将在第三章的3.1节简单介绍常用来计算碳系统的电子结构和光学性质的紧束缚模型和Sum—Over—State方法，而在3.2节则简略介绍第一性原理从头算方法的大体框架。 从第四章开始，将具体涉及到对实际材料的数值模拟和理论研究。 在第四章中，采用第一性原理方法我们研究了4 A直径的单壁碳管的电子结构和光学性质，以及实验合成时用到的分子筛AFI对其性质的影响。对小直径的碳管，能带折叠理论是失效的，曲率效应导致(5，0)管变成金属型碳管。而半导体(4，2)管会有一个小的0.25 eV的间接带隙，而不是由能带折叠理论得出的2 eV的直接带隙。通过对光吸收谱结果的分析，我们得到的结论是：三种小直径单壁碳管(5，0)，(3，3)和(4，2)在实验合成中都有可能存在于AFI的微孔中。从我们对AFI晶体和zigzag(5，0)管复合结构物性的分析可知，AFI晶体对纯的zigzag(5，0)管电子结构和光学性质还是有一定影响的，在低频区内有轻微的修正，而在中高频区则影响比较大。 在本文第五章中，基于紧束缚模型和Sum—Over—State方法，我们探讨了通过双壁碳管的光吸收谱来鉴别内外管几何结构的可能性，对计算得到的结果我们进一步用第一性原理方法做了验证。双壁碳管是我们研究多壁碳管的很好的例子。而在实验上，如何准确地测定出双壁碳管的几何结构是一个很大的难题，特别是内管结构的测定。我们的研究结果表明光吸收谱的确是一种行之有效的实验光学测量手段。无论外管是什么类型，我们总可以通过光吸收谱辨别出内管和外管的螺旋指标。所以利用光学测量可以帮助我们从原子尺度上了解双壁碳管的性质，特别是内管，而这在目前对于STM技术仍然是难于实现的。 第六章里，我们利用第一性原理计算与经验势方法相结合，探讨了碳管在外加形变下的结构和物性。首先，我们在6.1节里简略介绍了已有的关于外加形变下的碳纳米管的理论研究和实验结果。 在6.2节里，我们研究了(10，0)@(19，0)双壁碳管结的电子结构和输运行为。发现不同的径向形变强度导致双壁碳管结出现不同的σ—π和σ*—π*电子杂化，从而引起系统的电子结构在费米面附近有很大的差异。当径向形变强度增加到一定程度，双壁碳管结中半导体(10，0)内管会产生半导体—金属转变，但(19，0)外管仍然保持其半导体性。通过双壁碳管结在不同能量位置处局域态密度的空间分布，我们了解到：系统电导主要来自于碳管结侧面的碳原子的贡献。在价带中接近于费米面的能量位置处会出现准束缚态。而在导带的一些能量位置处出现了共振电导峰，这是由于电子共振透射效应所引起的。此外，双壁碳管结中半导体部分的长度对系统电导有较大的影响。因而双壁碳管结可能作为一种潜在的全碳的纳米传感器的原型。6.3节里，在系统地研究了(10，10)单壁碳管束在静水压下塌缩的几何结构、电学、振动和光学性质的基础上，我们发现一种新的塌缩结构—“过渡结构”，它在焓上几乎是“平行结构”的简并结构，另外，我们发现塌缩有可能造成沿ΓХ方向赝能隙的出现，并且塌缩的碳管在管束中的相对取向对系统的电子结构、振动和光学性质有很大的影响。我们的结果表明，可以通过光吸收和拉曼测量手段来识别碳管束在静水压下的不同塌缩结构。在6.4节中，我们详细地研究了双壁碳管束在静水压下的结构演变。发现外管对内管起到一定程度的保护作用，而内管的存在使外管在外压下的结构更稳定了，抗压能力显著增强。总的来说在静水压下双壁碳管束有三种不同的响应行为：小直径的碳管束会出现一次小的体积突变，但碳管束并不会随之塌缩；中等直径的碳管束在经历一次结构相变后就完全塌缩了，内管最小管间距和石墨层间距相当；而对较大直径的碳管束，当外管具有C6或C3对称性时仍然只经历一次结构相变就达到稳定的塌缩结构，但其它对称性的碳管束在塌缩前却经历了二次结构相变．其第一次相变时截面由畸变的六角形变为操场形，而第二次相交时截面由操场形变为哑铃状。塌缩压与内外管的平均半径和内、外管的对称性有很大的关系。最后，我们发现类似于单壁碳管束，“平行塌缩结构”和“过渡塌缩结构”在基态能量、PV 项和焓上都要比“人字形塌缩结构”更稳定。 第七章主要讨论基于单壁碳管的复合碳材料的磁性。目前碳基磁性材料吸引了相当多的理论和实验工作者的注意。首先在7.1节中，我们将介绍目前关于碳基磁性材料的理论和实验的研究进展情况。接着在7.2节中，采用第一性原理局域自旋密度近似(Local Spin Density Approximation，LSDA)和LSDA+U计算，我们研究了全碳复合材料CNW@SWNT的磁性。发现当复合材料中置入的一维碳链的周期足够大时，系统会出现“平带铁磁性”，这种磁性是由一维碳链和外面的SWNT之间弱耦合所引起的。另外，一维碳链的二聚化和SWNT管壁上碳空位的出现均会加强CNW@SWNT的磁矩。我们的结果表明CNW@SWNT是一种可能的全碳纳米磁性材料。 在第八章中，我们主要研究了单壁金管(5，3)、(5，0)和(6，3)管在轴向拉伸、扭转和剪切三种外加形变下的几何和电子结构的变化。发现构成单壁金管的金线的个数和费米面附近的电导通道个数之间并没有直接的关联，外加形变很难改变系统的电导通道个数。在小剪切形变0.0314下(5，3)金管平均每个原子上的结合能比未形变时减小，和实验观测吻合的很好。与单壁碳管相比，在外加形变下无限长单壁金管不会出现类似单壁碳管的金属—半导体转变。而有限长度下的单壁金管则有可能出现半导体特征。数值模拟