气敏传感器在环境监测、有毒有害气体泄露检测中发挥着至关重要的作用。因此,发展和设计新型气敏传感器是当前研究的热点之一,而提高气敏传感器的气敏性能,其核心在于发展和设计新型的气敏材料。2004年,Novoselov等人成功将单层石墨从石墨中剥离出来,制成具有独特结构和电子特性的石墨烯,由于其优异的物理化学特性,使得石墨烯在能源,催化,传感器等领域具有广泛应用。如今,研究人员希望在保证石墨烯优异性能的同时克服石墨烯的零带隙问题,以进一步提高其在气敏传感方面的应用价值。研究表明,N/B/Si的掺杂可以改变石墨烯的能带结构,使其吸附分子后更容易诱导出金属特性,从而获得导电性能的提升,因此,基于石墨烯的二维材料的气敏性能研究引起了大量关注。例如C-N体系中的C3N,C-B体系中的BC3,C-Si体系中的SiC和SiC7等,这些体系不仅保留了石墨烯的二维平面结构,而且为气体分子的吸附提供了更多的表面活性位点,且在高温下可以保持良好的稳定性。这些特点均为碳基二维材料（C3N、BC3、SiC、SiC7）能够应用于高性能气敏传感器打下了良好基础。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了不同尺寸和构型的典型碳基二维材料与多种气体分子的吸附作用,探究其是否适用于高性能气敏传感器的研究,为进一步实用化提供理论依据。获得的创新性成果如下:（1）研究了NO2,NO,CO,HCN,NH3,CO2,H2,N2,CH4,H2O,O2和N2O等气体在单层C3N上的吸附行为,电子性质及功函数变化,及其在气敏传感器设备中的潜在应用。所研究的气体中,只有NO2的化学吸附可显著影响单层C3N的电子性质,使其半导体性质变为导体性质,且功函数变化明显,说明单层C3N对NO2气体的灵敏度极高。在T=300 K时单层C3N对NO2的恢复时间仅为0.62 s,响应恢复时间较短。综上,单层C3N是用于检测NO2的气敏传感器的候选材料。（2）研究了CH3COCH3、H2、N2、O2、CO2、H2O、HCN、HCOH和SO2等气体在单层BC3上的吸附行为和光学特性（功函数、吸收系数、反射率、介电函数、损耗函数、折射率和透射率）。CH3COCH3分子弱化学吸附在单层BC3上,并对单层BC3的电子性质（特别是对电导率）造成明显影响,说明单层BC3对检测CH3COCH3有较高的灵敏度。此外,单层BC3吸附CH3COCH3后的功函数、吸收系数、反射率、介电函数、损耗函数、折射率和透射率变化明显,光学特性改变显著,且恢复时间仅为0.832 ms,具有高效的可重复利用的特点。综上,单层BC3可作为多次检测丙酮的光学气敏传感的候选材料。（3）研究了NO,NO2,NH3,SO2,CO,HCN,O2,H2,N2,CO2和H2O气体分子分别在单层和双层SiC上的吸附情况,以探索其作为气敏传感器来检测NO,NO2和NH3的可能性。NO2和SO2在单层SiC上的强吸附阻碍了其作为可重复利用的氮化物气敏传感器的发展。氮化物气体（NO,NO2,NH3）在双层SiC上是化学吸附,且双层结构有效地削弱了NO2和SO2分子的吸附强度,使NO2分子弱化学吸附在双层SiC上,因此,双层SiC具有更高灵敏度、高选择性和快速恢复时间,相较之下,双层SiC作为检测NO、NO2和NH3气体的气敏候选材料更加适合。（4）研究了单层SiC7在有/无外电场下吸附NO、NH3、NO2、H2、N2、O2和CO2分子后的几何形状、吸附能、电荷转移、电子和光学特性。单层SiC7对NO、NH3和NO2的监测具有较高的灵敏度和选择性。然而,这三种分子与单层之间的强相互作用使得分子难以从单层SiC7解吸附,从而阻碍单层SiC7作为可重复使用的气敏传感材料。进一步研究发现,当施加外部垂直电场时,可以明显降低气体的吸附能,从而有效地缩短恢复时间。此外,外加电场还可以有效地改变气体分子和单层SiC7体系的电子和功函数性质。结果表明,单层SiC7是一种很有前途的可重复使用和高选择性检测NO和NH3气体的气敏传感材料,也可作为单次检测NO2的气敏传感材料。