石墨烯作为一种典型的二维原子晶体,具有独特的狄拉克锥电子结构和近似无质量的超快费米子,可以用于构造超快电子器件和自旋电子器件等。但由于石墨烯半金属性的缺陷,近几年人们也开始关注一些其他的二维原子晶体,例如硅烯、硼烯、磷烯以及它们的同素异形单层等等。为了实现这些原子晶体的工业应用,高质量、高产量地合成二维原子晶体成为一个亟需解决的问题。利用计算材料学手段,模拟二维原子晶体的成核生长过程可以很好地预测实验所需条件,减少实验上的成本,促进新型二维原子晶体的制备和应用。基于密度泛函理论和经典晶体生长理论,本文研究了石墨烯在三元合金衬底Cu2NiZn上的生长过程。发现碳源乙烯在Cu2NiZn上的脱氢势垒小于在纯Cu表面上的势垒,意味着乙烯更容易在Cu2NiZn上脱氢成碳原子。碳原子聚合到一起会形成碳团簇,是石墨烯的初期晶核。碳团簇尺寸小于3的时候,其在Cu2NiZn上的形成能远小于在Cu上的。因此,碳原子更容易在Cu2NiZn上聚集成小团簇。并且,在Cu2NiZn表面的部分区域上,碳原子从表面到亚表面的渗透势垒几乎为零,这有助于碳原子溶解到合金衬底中。通过低温处理衬底,碳原子会析出衬底表面,促进石墨烯的合成。因此,Cu2NiZn衬底比纯Cu衬底更有望实现石墨烯的高量高质生产。此研究也为多元合金生长石墨烯提供了理论指导。考虑到石墨烯通常以异质结构应用于实际器件中,进一步分析了 Cu表面上石墨烯沿六角氮化硼边缘的异质成核生长,以及石墨烯成核位点对制备的异质结界面质量的影响。研究发现,石墨烯倾向于沿六角氮化硼边缘线性生长,并且在硼边的成核势垒小于在氮边的势垒。在低碳源化学势条件下,石墨烯在六角氮化硼的硼/氮边的成核势垒远小于在Cu平台的成核势垒;反之,两者的成核势垒和速度比较接近。因此,将实验条件控制在低碳源化学势条件下可以促使石墨烯在六角氮化硼边缘成核,从而获得原子级连续的异质界面以及晶格取向一致的异质结构。作为石墨烯生长研究的延伸,本文还计算了α、β和γ相石墨炔与不同过渡金属—Ru、Rh和Pd衬底之间的相互作用。由于sp杂化键的出现,金属衬底可以很好地稳定这三种石墨炔。通过化学势相图可知,α相石墨炔在低碳源化学势条件下热力学更容易形成;反之,石墨烯更稳定。β和γ相石墨炔相对不容易形成。最后,模拟了蓝磷烯在Au表面上的前期成核行为。当原子个数达到4时,磷原子开始聚集,形成之字形链状结构。随原子个数继续增加到11时,磷团簇转变为基于五-六元环的一维链状。这种独特的成核行为是磷原子间的相互作用和磷与衬底原子间的相互作用的竞争引起的。通过对比蓝磷烯和黑磷烯分别与Au、Ag和A1衬底的相互作用强度,本文预测相对活性的衬底比较适合制备蓝磷烯,而相对惰性的衬底更适合生长黑磷烯。