压电材料是一种非常重要的功能材料,它可以实现机械能与电能的相互转化。基于这一性能,压电材料被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。近年来,一些压电材料如h-BN、MOS2、GaN等由于结构稳定、柔韧度高、易于被合成等优点而被广泛关注。相比于这些材料,碳材料具有更低的成本,更好的化学稳定性,更大的表面积和更轻的质量。然而,大部分的碳材料也由于它的结构对称性,以及特殊的物理化学性能而限制了其在压电材料中的应用。为了提高碳材料在压电器件中的应用价值,在本文中我们主要通过杂原子掺杂的方法,对一种新型的二维碳材料—石墨炔的物理化学性质进行了调控,从而在石墨炔材料中成功地引入了比较明显的压电效应。石墨炔是继石墨烯之后的又一种新型的二维碳材料。石墨炔是由sp和sp2杂化的两种不同的碳原子相互连接而形成的一种新型单层原子的网格结构。它可以被看成是在石墨烯内相邻的碳原子间插入炔键（-C≡C-）所获得的产物。近些年来,多种不同几何构型的石墨炔相继被通过理论设计提出,如六角型对称的α-、β-、γ-、δ-石墨炔,和矩形对称的6,6,12-石墨炔以及方形对称的R-、cp-、4,12,2-、4,12,4-石墨炔等。这些石墨炔都具有较大的比表面积、较强的大共轭π键、和优良的化学稳定性。然而石墨炔结构的不同也使得石墨炔具有多种不同的物理化学性质。比如,基于密度泛函理论（DFT）,狄拉克锥结构不仅存在于六角形对称的α-、β-石墨炔中,也存在于矩形对称的6,6,12-石墨炔和方形对称的cp-、4,12,2-、4,12,4-石墨炔中。然而,同样六角形对称的γ-、δ-石墨炔石墨炔却是具有直接带隙的半导体。石墨炔优异的物理化学性能使其在锂电池、能量储存以及燃料电池等领域中具有较大的应用潜力。为了更深入的研究杂原子对石墨炔的物理化学性质的影响,在本文中我们以两种具有比较简单对称性的方形石墨炔（4,12,2-和4,12,4-石墨炔）为例,通过分别对它们进行B、N单原子掺杂,以及B-N偶极的掺杂（第三章到第五章）,从而达到有效操控这类石墨炔材料的力学、电子和光学等主要性能的目的。更重要的是,在某些情况下,杂原子的引入还严重破坏了石墨炔结构的对称性,使石墨炔材料产生了巨大的压电效应。我们希望这些研究结果在其它的碳材料中也具有一定的适用性,从而能够对实验中一些碳材料的改性起到一定的帮助作用。本文的研究内容共包括六章,各章内容简要如下:在第一章中,我们首先对碳材料的发展历史和碳的同素异形体进行了简单的介绍。列举了一些二维碳材料如石墨烯和石墨炔等所具有的独特和优异物理化学性能,并介绍了一些利用化学修饰方法实现对它们的性质有效调控,从而使它们具有更广泛地应用潜力的方案。第二章中我们简单介绍了第一性原理的产生和一些最基本的近似。薛定谔方程的物理意义在于揭示微观粒子的运动状态。单电子的运动方程求解比较简单。多电子体系的运动方程却相当复杂。在求解多电子体系的薛定谔方程时基于密度泛函理论中的Kohn-Sham方程可以把多电子运动转化为多个无相互作用的单电子的运动。然后,再利用一些交换相关泛函可以近似得到体系的电荷密度。半导体的能带理论就是基于量子力学的基本近似,求解固体多电子体系的薛定谔方程的过程。接下来是本文中主要的研究内容和结果。我们在第三章中介绍了B/N单原子掺杂对4,12,4-石墨炔性质的影响。B/N掺杂改变了4,12,4-石墨炔的几何结构和电子性质。掺杂体系的力学性质的改变与掺杂原子的种类和掺杂位置相关,但整体上看B掺杂体系的面内刚性要比N掺杂体系低。B/N掺杂在石墨炔中引入了极强的极性键,从而使某些单原子掺杂体系产生了巨大的压电效应;第四章中介绍了B/N单原子在另一种方形石墨炔（4,12,4-石墨炔）中的掺杂。与4,12,2-石墨炔不同,B/N掺杂的4,12,4-石墨炔中并没有表现出明显的压电效应,说明方形对称结构不是引起巨大的压电效应的决定因素。然而,B/N掺杂也改变了4,12,4-石墨炔的力学和电子性质。除此之外,某些B/N掺杂体系中还引入了各向异性的的光学性质和热电性;第五章中介绍了我们在4,12,4-石墨炔中引入B-N偶极的研究。考虑到偶极的大小和方向,我们在掺杂最易发生的炔键位置进行了不同浓度的B-N偶极的掺杂。不同的B-N偶极在石墨炔中引入了不同的内建电场,从而改变了体系的电子性质和光学性质,说明B-N掺杂体系掺杂的4,12,4-石墨炔在光电子器件、太阳能电池等领域具有很大的应用潜力。除此之外,B-N偶极的引入破坏了4,12,4-石墨炔结构的对称性,在某些情况下,也能够使体系产生明显的压电效应。第六章中我们再次总结了前三章的研究过程中所取得的重要结论。杂原子掺杂和偶极掺杂作为调控石墨炔性质的最有效地方法之一,可以广泛地应用到其它的碳材料中。通过杂原子掺杂,我们可以扩大某些碳材料的应用领域,提高其应用价值。