传统的量子化学方法以及固体物理方法往往难以同时兼顾多种纳米尺度的理论模拟，尤其是大纳米尺度的量子器件更是给理论研究带来了巨大的挑战。本论文发展的新方法和计算软件，则在第一性原理和全电子计算的理论精度上达到了对多种尺度量子器件光电性质的精确描述。论文阐明了这些方法的基本思想，并描述了相应的程序包以及数据库的完成和应用。在多种纳米尺度器件的模拟计算上获得了成功，其中一些结果为国际首次发表。　　 本博士论文发展了一种在全电子第一性原理层面上研究纳米尺度量子体系电子学的新计算方法。该新方法在传统散射理论和Green函数基础上创造性地将固体物理理论和量子化学原理相结合，准确地描述了量子器件中的弹性散射和非弹性散射电流过程。与任何量子化学计算方法相结合，可以模拟计算纳米尺寸范围内的分子器件。本论文采用此方法研究了不同的分子与电极连接方式对分子电导的影响，获得了分子电导的尺寸依赖性，给出了电场效应和分子间相互作用的准确表达、揭示了分子振动对电子输运过程的定量影响规律、与分子动力学相结合后完成了分子器件性能的统计分析等等。其中特别值得提出的是，本文独创性地发展了求解分子器件中非弹性散射电流的解析方法，并在国际上首次计算出准确可靠的分子结的非弹性散射电流谱。将理论计算和实验测量结果做对比研究，提供了分子结中分子的空间构型一分子—电极之间的成键情况、分子之间的相互作用等等以往实验难以直接测量而又十分重要的器件信息。基于该方法在本论文工作中独立完成的计算软件包QCME，已成功地应用于大量的器件研究，模拟并解释了许多实际分子器件的导电机理和行为。由于计算简便、结果精确和计算省时的优点，我们的方法和计算软件包可以被用来研究不同器件材料、工作条件，物理机制对分子器件功能和性能的影响，在纳米尺度量子体系器件的模拟、设计、应用领域将会体现出明显实用性优势。　　 本文论述了所发明的中央插件延长法(central insertion scheme：CIS)的基本思想及其实际应用。该方法从第一性原理出发，通过复制分子器件中结构和化学环境相同的子单元之间的相互作用能，实现了在第一性原理的理论层面研究不同纳米尺度系统。方法简单且有效，既保持了传统第一性原理模拟的精度，又大量地节约计算时间，降低资源消耗。方法的最大特点是可以计算很多传统第一性原理方法难以甚至不能研究，而且传统固体物理方法亦无法处理的大纳米尺寸系统。基于CIS方法而独立完成的并行计算软件包Bio Nano-Lego，已经被我们成功地应用于不同的系统。建立了包含78个不同手征的碳纳米管和任意配对类型的DNA的电子结构数据库，为这两类材料的量子器件设计提供了必要的数据库基础。应用CIS，我们在第一性原理的理论层面下研究了长达200nm的单壁碳纳米管、大于160nm的共轭聚合物(polymer)、直径为7.3nm包含130,000多个电子的纳米金刚石电子结构等，发现了一些有趣的物理和化学现象。上述这些系统比第一性原理研究方法能计算的纳米系统大了至少一个量级。进一步将CIS和我们完成的QCME程序结合，准确地模拟了包含共轭聚合物、碳纳米管、DNA等纳米器件的电导行为，研究了尺寸长达100纳米的不同手征的碳纳米管和直径为7纳米的纳米金刚石的谱学性质。CIS还被应用于研究大纳米尺寸的半导体材料，如Si、Ge、GaAs等，并给出了准确的模拟结果。CIS方法从纳米的微观尺度出发，可以全程在第一性原理的精度下推广到大纳米尺度甚至反映出体特征的材料尺度，从而有效地架构了了量子化学和固体物理理论的两个领域的连接，实现了对实际的纳米电子和光电器件的第一性原理研究，对器件设计具有重要的指导意义。　　 应用固体物理方法研究了量子阱的GaAs/AlGaAs红外探测器的光电性质。准确地在理论上预测了甚长波GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的红外吸收谱、工作模式和探测波长。基于理论模型独立编写源代码完成了计算软件包JQWIP，其操作简单，计算可靠。计算了大量甚长波量子阱红外探测器的红外吸收谱，发现不同的器件工作模式下器件探测波长对器件性能参数具有不同依赖行为。在大量的计算结果的基础上建立了一个计算探测波长的公式。由关键的器件参数出发，借助于这个公式，无需进行复杂的计算机编程，便可以准确地预测出量子阱红外探测器的探测波长，对实际器件设计和优化具有重要的现实指导意义。实验制备了一系列甚长波量子阱红外探测器，测量结果表明我们的公式是简便和有效的，验证了理论模型的准确性。