随着计算机性能的飞速发展以及计算方法的进步，计算物理已经成为与理论和实验同等重要的第三种研究方法。另外，随着体系尺寸减小到纳米级以及维度的降低，表面效应、量子限域效应、尺寸效应以及量子隧穿效应变得越来越显著，因而低维纳米材料通常表现出不同于普通块体材料的力学、热学、光学、电子性质和磁性质。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算，并结合分子动力学、紧束缚近似方法，研究了低维纳米结构，包括碳纳米管、石墨烯、过渡金属与有机/无机配体构成的纳米线、金纳米管包裹的过渡金属单原子链的力学性质、电子结构和磁性质。主要结论如下:　　 (1)拓扑缺陷对于碳纳米管力学性质的影响研究。运用密度泛函紧束缚近似（Density functional based tight binding，DFTB）方法，我们研究了拓扑缺陷对于单壁碳纳米管力学性质的影响。计算表明，五元环和七元环对于碳纳米管的力学性质起到截然相反的作用，即前者起到应力发散的作用，而后者起到应力集中作用。因而对于存在拓扑缺陷的碳纳米管，七元环附近成为整个碳纳米管最薄弱的环节，使得碳管的拉伸强度显著地下降。拉伸强度与拓扑缺陷引起的碳纳米管弯曲角度有很大关系，即当拓扑缺陷的存在使得碳纳米管弯曲角度达到30、60和90度时，其拉伸强度将分别下降到原先的～1/2、～1/3和～1/4;而碳纳米管拉伸强度与碳纳米管直径的关系却比较小。因此实际应用中，我们必须获得没有缺陷的完美的碳纳米管。而如果无法获得超长的完美碳纳米管时，我们必须尽量选择那些弯曲角度比较小的、直径也比较小的碳纳米管。　　 (2)Y型三分支石墨烯纳米带(TWG)的设计。为了克服普通石墨烯纳米带在有限温度下结构的易变性，我们理论上设计了一种新颖的一维Y型三分支石墨烯纳米带(TWG)。这种TWG结构显著地改善了普通的一维石墨烯纳米带的热稳定性，即使在1000K的温度下，依然能保持比较平坦的结构，同时它还具有与普通的石墨烯纳米带类似甚至更好的电子性质和磁性质。更为有意思的是，这种三分支TWG结构每一个分支的电子性质是近似独立的，这意味着在实际应用中我们可以分别运用这三个分支，构建一些特殊功能材料如半导体-金属结。此外，这种锯齿型TWG结构是很好的铁磁材料，通过掺杂和边界修饰还可以将其转变为半金属磁性材料。　　 (3)多层石墨烯的氢化研究。对于多层石墨烯，在等离子环境下氢化可以将多层平坦的石墨结构转变为金刚石薄膜(HP-TDF)。从形成能的角度来看，单层石墨烯比两层石墨烯更容易氢化，这一点与主要的实验结论符合的很好。氢化的过程几乎没有势垒存在，因而实验上也是很容易发生的。此外，HP-TDF具有较宽的带隙，通过控制薄膜的厚度或者将其切割为一维的纳米带等手段都可以控制体系的带隙大小，这种具有可调带隙的纳米结构也许可以应用于紫外发光和场致发射。　　 (4)二维石墨烯和一维石墨烯纳米带的封装研究。由于石墨烯的电子结构容易受到外界杂质、吸附的气体分子和湿度的影响，为了让基于石墨烯的电子器件能够稳定地工作，我们必须将其密封在封闭的环境中。计算表明，二维的石墨烯和一维的石墨烯纳米带的电子性质都非常稳定，封装过程不会改变其电子性质，但是封装过程引入的应力会对石墨烯起到电子或者空穴掺杂的效果，通过控制应力的大小还可以控制掺杂的程度。　　 (5)铋(Bi)纳米带的电子性质研究。当二维的铋(Bi)纳米薄层切割成一维的纳米带后，其边界发生了显著的重构，重构导致新的共价键形成，同时也消除了边界的悬挂键，释放了边界应力，使得体系更加稳定。二维的Bi纳米单层是直接带隙的半导体，而重构的扶手椅型Bi纳米带则转变为间接带隙的半导体。对于锯齿型Bi纳米条，当边界最外侧Bi原子均匀排列时，体系表现出金属性。但这种均匀排列的构型是不稳定的，Peierls相变会导致锯齿型Bi纳米带从金属转变为半导体。Bi纳米带这种丰富可调的电子性质可望应用于设计小型化的电子器件。　　 (6)过渡金属-硼氮烷三明治纳米线的电磁性质研究。利用自旋极化的密度泛函方法，我们系统地研究了由过渡金属(TM，TM=Sc、Ti、V、Cr和Mn)原子与硼氮烷组成的一维无限长三明治纳米线[TM(Borazine)]∞。与TM-Bz(Bz=benzene)纳米线类似，[Sc(Borazine)]∞和[Cr(Borazine)]∞纳米线分别是非磁性的金属和半导体，而[Ti(Borazine)]∞纳米线则是反铁磁金属，[V(Borazine)]∞和[Mn(Borazine)]∞纳米线都是非常稳定的铁磁半金属，因此这两种纳米线有望应用于自旋电子器件的制备。　　 (7)金纳米管包裹过渡金属单原子链的磁性质研究。我们研究了金纳米管包裹下一维过渡金属单原子链(TM@Au，TM=Co和Mn)的磁耦合行为和磁各向异性。金纳米管的包裹显著提高了单原子链的稳定性。随着过渡金属原子间距的增大，Co@Au的磁序出现铁磁-反铁磁相变，而Mn@Au则恰好相反，从反铁磁转变为铁磁，这种磁序的转变主要是由RKKY交换作用导致的。此外，金纳米管的包裹使得Co和Mn单原子链的磁各向异性能提高了一个数量级，因此这种复合纳米结构可以应用于超高密度的磁存储等磁性材料。