本文采用精确的密度泛函理论（DFT）和从头算（ab initio）等量子化学方法,对金属在石墨烯表面的吸附与生长、量子尺寸效应对金属在Pb（111）表面吸附和生长的影响以及甘氨酸与水分子及水分子团簇的结构和性质进行了深入的理论研究。本文得到主要研究结果如下:一、利用基于密度泛函理论（density functional theory, DFT）的第一性原理方法,系统地研究了稀土金属原子在石墨烯表面的吸附。计算结果表明石墨烯晶格六边形的中心为稀土金属原子最佳吸附位置。钕和钆在石墨烯表面的吸附和扩散能垒要比铕和镱在石墨烯表面的吸附和扩散能垒要大一些。比较实验观测稀土金属在石墨烯表面的生长的扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy, STM）图象,钆和铕在石墨烯表面的外延生长证实了我们的第一性原理计算。即钆在石墨烯表面的生长形貌为树枝状的金属岛屿,而铕在石墨烯表面的生长的形貌为层状的晶体结构。铕在石墨烯表面生长成为平的层状的晶体要归因于它在石墨烯表面上的扩散能垒很低和它有着相对更大的吸附能与内聚能的比值。二、利用第一性原理计算结合准原子基最小轨道方法（quasi-atomic minimal basis set orbitals approach, QUAMBOs）对简单金属（Na, K, Al, In）和过渡金属（V, Fe, Co, Ni）的成键特征和电荷转移进行了详细的理论研究。计算结果表明碱金属（Na, K）和石墨烯之间的相互作用主要为离子相互作用。对第三主族金属元素（Al, In）的吸附,计算表明既有共价相互作用又有离子相互作用。相比之下,过渡金属（V, Fe, Co, Ni）在石墨烯表面的吸附则主要呈现出很强的共价相互作用特征。共价键的主要贡献来自于过渡金属的d_x2-y2和d_yz轨道与碳原子的pz轨道的杂化。三、利用第一性原理计算,系统地研究了金属吸附原子在石墨烯表面的吸附行为。金属吸附原子包括简单金属,过渡金属,贵金属以及稀土金属。同时,我们也研究了金属原子在石墨烯上吸附的性质与金属原子在石墨烯表面的生长关联。研究发现金属吸附原子在石墨烯表面的生长形貌与金属在石墨烯表面的扩散能垒（?E）以及金属吸附原子的吸附能与内聚能的比值（E_a/E_c）有关。同时,金属吸附原子在石墨烯表面的生长形貌还与一些长程的相互作用有关,如偶极-偶极相互作用以及金属吸附原子的吸附致使石墨烯产生形变的相互作用。同时,还发现大部分的金属纳米结构在石墨烯表面具有很好的热力学稳定性。四、铁在石墨烯表面的成核与生长表现出不同寻常的特性。当铁不断沉积在石墨烯表面时,铁的岛屿密度不再增加,表明铁与铁之间有着很强的相互排斥作用。我们利用第一性原理计算仔细地研究了铁与铁在石墨烯表面上的相互作用并寻找这种相互作用的来源。发现铁与铁在石墨烯表面上的相互作用包括了短程的相互吸引和长程的相互排斥。这种特殊的相互作用来自于偶极-偶极相互作用,磁矩间的相互作用,石墨烯表面离域电子由于Friedel震荡形成的间接相互作用以及由于金属吸附原子的吸附使得石墨烯晶格产生形变的相互作用。五、利用第一性原理计算我们详细的研究了金属锰在石墨烯表面的吸附与生长以及磁性。金属锰的吸附的特征表现为化学吸附（吸附高度为2.1埃）和物理吸附（吸附高度为3.9埃）的结合。金属锰在石墨烯表面的生长模式是三维生长,初始生长模式由二维过渡到三维发生在Mn₄。研究结果表明,锰的小团簇在石墨烯表面的吸附的磁矩介于纯锰团簇结构和锰的体结构之间,呈现铁磁性。然而,当锰团簇的尺度增大时,锰团簇在石墨烯表面的吸附的磁矩变小,呈现反铁磁性,和金属锰的体结构的性质类似。六、利用第一性原理计算,我们研究了金属镁在Pb（111）表面的吸附,研究发现吸附能,电荷转移,偶极矩,功函数以及金属镁的生长形貌随着金属薄膜的厚度的增加呈现奇偶震荡的量子尺寸效应（quantum size effect, QSE）。我们注意到吸附了金属镁的体系的功函数由于量子尺寸效应随着金属薄膜Pb（111）厚度的增加呈现双层震荡。这种由于量子尺寸效应引起的功函数对金属镁在金属薄膜Pb（111）上的生长起到了很重要的作用。研究发现对于某一厚度的金属薄膜层Pb（111）它具有的功函数越大,那么镁在上面的生长的岛的密度就越大。这是因为功函数在相邻的金属薄膜层之间有个差值,导致相邻金属薄膜层的费米面不同,从而致使金属表面电子重新分配。因此相邻金属薄膜层之间的电势不同,从而产生电势差,金属镁吸附到Pb（111）上之后失去电子,形成Mg^δ+离子,Mg^δ+离子会跑向电势低的金属薄膜层上。七、利用从头算（ab inito）我们系统地研究了（H2O）2-30团簇的结构趋势,能量稳定性和解离行为。水团簇中水分子单体的解离是最佳的解离通道,解离能为11.53 kcal/mol。在解离产物中会发现很多小尺度的水分子团簇,例如水分子的二聚体,三聚体以及四聚体。八、利用从头算（ab inito）我们在MP2/6-311++G（d,p）水平下对环状叠加结构的水团簇的结构和相互作用能进行了详细研究。研究发现在单环叠加的最稳定的结构中每一层的氢键的走向都是顺时针-逆时针的交替模式。研究发现在单环叠加的水团簇结构中存在着很强的氢键各向异性,即层内的氢键的强度要比层外的氢键的强度要强30%-40%。九、在MP2/6-311++G（d,p）计算水平下,我们研究了中性的和两性的甘氨酸和水分子的复合物Gly（H2O）n （n=1?6）的结构和相对能量。在CCSD（T）/6-311++G（d,p）计算水平下,如果用极化连续性介质模型（polarizable continuum model, PCM）来模拟溶质与溶剂的关系,5个离散的水分子就可以完全的溶剂化甘氨酸。如果不用极化连续性介质模型来模拟,即使6个离散的水分子也不能够使甘氨酸溶剂化。随着离散的水分子的个数的增加,甘氨酸和水分子的复合物的中性结构从环状的模式过渡到链状的模式最后过渡到立方体的模式。然而,两性的甘氨酸和一个水分子的结构在我们的计算水平下不存在。两性的结构在当水分子个数为2, 3, 4时(Gly（H₂O）_2,3,4),主要是链状的结构,当水分子的个数为5, 6时(Gly（H₂O）_5,6),主要是立方体状的结构。