本论文在阐述了分子电子学产生背景和分子器件应用前景的基础上，采用了基于密度泛函理论和非平衡格林函数输运理论相结合的第一性原理计算方法，系统地研究了分子体系的电子结构和输运性质。着重研究了配位原子掺杂、分子链的长度、电极-分子的接触类型、分子结的构型、化学修饰以及门压等对体系电子输运性质的影响。观察到明显的负微分电阻行为、电学整流效应，深入探讨了分子器件中的开关比、自旋过滤以及自旋极化等，并给出了相应的输运量子调控的理论机理。本论文主要研究以下几部分内容:　　运用基于密度泛函数理论和非平衡态格林函数电子输运计算相结合的第一性原理方法，我们研究了用双N原子取代掺杂两个准相邻晶格C原子的扶手型石墨烯纳米条带的电子能带结构及电荷输运特性。研究结果表明N2AA掺杂扶手性纳米条带的电学性能根据N2AA的位置不同可以呈现半导体和金属特性，因此我们可以通过调控N2AA位置实现扶手型石墨烯纳米条带的开关效应。我们所构建的体系在半导体和金属性质之间的转变主要归根于N原子和C原子的Pz轨道之间的耦合作用。此外在这种双N掺杂的扶手型纳米条带器件中，我们可以观察到明显的负微分电阻效应。因此通过调控N2AA位置可以使分子体系呈现完全不同的电荷输运性质。　　接着，我们研究了在不同宽度的N2AA掺杂的扶手型石墨烯纳米条带器件的输运性质。我们用N2AA取代分子器件中一个电极的中心或者边缘的双C原子，而体系的另一个电极则不掺杂。结果表明，分子器件的电子输运性质不仅依赖双N原子的掺杂位置，而且也受纳米条带宽度的影响。通过调节扶手型石墨烯纳米带的宽度以及N2AA的位置，可以有效的调控器件的整流率。进一步发现，宽度为10的边界N2AA掺杂的扶手型石墨烯纳米分子器件的整流比最大，而且我们证明了体系左右电极能带的匹配以及其对应的分子投影自洽哈密顿量间的耦合作用是产生明显整流效应的根本原因。　　运用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法，我们研究了边缘钝化的锯齿形石墨烯纳米带异质结的输运特性。计算结果表明sp2和sp3共存可以使锯齿形石墨烯纳米带变成具有稳定带隙的半导体材料。我们发现边界为sp2和sp3钝化的锯齿形石墨烯纳米条带之间轨道对称不匹配抑制了电导边界态，而且带隙的大小主要是由sp2边界锯齿形石墨烯纳米带的第二最高价带与第二最低导带之间的能量差来决定。研究发现sp2和sp3边界钝化的锯齿形石墨烯纳米条带的半导体特性也受条带宽度的影响，在宽度为奇数时，分子器件的能隙都较小，且带隙随其宽度的增加递减地很快。而当宽度为偶数时，体系的带隙都相对比较大，其随宽度递减比较缓慢。　　我们研究了单碳链通过不同的连接方式夹在两个锯齿形石墨烯纳米条带电极中间组成的碳链分子结的自旋输运性质。通过改变碳链与锯齿形石墨烯之间的连接方式调制器件自旋输运特性。结果表明，当体系左右电极处于反铁磁态时，整体电导能力较弱，表现为半导体性质。而体系处于铁磁态时，自旋向下的电子被抑制，仍然保持绝缘体性质，而自旋向上的电子电导能力较好，表现为金属性，因而在费米能附近出现完美的自旋分离效应。在碳链长度确定的情况下，53连接的构型的自旋向上的电子比56/36分子结的导电性能较好。其次，这些不对称分子器件的自旋输运在一定的能量范围内都表现100％的自旋电流极化效应。进一步研究表明，这些完美自旋过滤效应主要与不对称体系的分子轨道与电极耦合强度有关。　　研究了一种由铬卟啉连接两条单原子碳链夹在半无线长的锯齿形石墨烯纳米条带中间所组成的分子器件的自旋输运性质。研究结果表明，当体系处于P态时，费米能处自旋向下的电子被抑制，其自旋向上的电子态密度分布却是离散的，说明自旋向上的电子在体系中电导较好，表现为金属性;而当体系处于AP态时，体系中的电子的传输能力被强烈抑制，使体系呈半导体性。此外，体系在P态与AP态都能具有100％的自旋电流极化效应，而且在AP中有整流比高达104的整流效应。因此，我们构建的器件中能表现有整流效应、负微分电阻效应以及自旋极化为100％的自旋分离效应等多种分子开关行为共存性质。进一步的研究表明，这些自旋效应主要归根于锯齿形石墨烯纳米带的π和π*子带所固有的自旋输运选择以及分子轨道与电极之间耦合强度。