基于硅晶体管的微电子学在过去的数十年间飞速发展,器件的尺寸不断小型化,但由于生产工艺及物理学原理等方面的限制,目前发展已经到了难以逾越的瓶颈阶段。利用单分子构建功能分子电子器件,替代传统的硅晶体管,已成为主流的发展趋势。分子开关是一类重要的分子电子器件,由于其可用于逻辑和存储电路的基本单元,一直是分子电子学研究中的热点。本文致力于理论设计新型的分子开关,为实验研究提供有用的理论预测与解释。量子点元胞自动机分子(Molecular Quantum-Dot Cellular Automata, MQCA)是一类基于静电相互作用的分子开关,可用于新型计算机逻辑电路的构建,具有更快的运算速度、极低的能耗以及广阔的应用前景。另一类电场调控的表面分子开关近年来也越来越受到关注,由于其能通过外加电场实现对表面性能的调控,因而可望广泛应用于生物、化学以及微电子等领域。本论文综合运用量子化学计算和分子动力学模拟,设计新型量子点元胞自动机分子,考察电场调控的表面寡肽分子构象变化与开关过程。主要研究内容及结果分述如下：一、量子点元胞自动机分子的理论设计双笼氟代富勒烯体系具有很强的电子亲和势,笼内可以禁锢一个电子,形成电荷局域双稳态。通过外加电场,我们可以实现电子在笼间的迁移,即双稳态之间的转换。利用这两个电荷局域双稳态来表示逻辑“0”态和“1”态,就可以进行二进制编码,从而构建MQCA元胞。我们考察了由不同类型桥基连接的双笼氟代富勒烯分子(e@C2oF18(X)2C2oF18, X=-NH-,-BH-,-CO-)的电子结构性质,利用一系列背景点电荷模型,模拟了该类MQCA元胞间的库仑耦合作用,以及对静电输入信号的响应。结果表明这类氟代双笼富勒烯体系具有优良的QCA功能,即在外界静电场的驱动下,电子可以在双笼分子的两笼间发生迁移,实现双稳态,即逻辑“0”态和“1”态之间的转换。因此该类双笼氟代富勒烯分子有望作为新型MQCA分子的候选。此外,我们考察了一系列具有不同拓扑结构的笼状碳硼烷体系,发现此类体系难以形成电子局域的双稳态结构,限制了其在MQCA中的应用。二、银表面MQCA阵列的信号传输如果要将上述设计的MQCA体系制造成器件,则需要进一步将其负载在基底上,每个元胞需可控地吸附在特定的位置,形成MQCA线路。在量子化学层次上,我们研究了单个MQCA元胞在银表面的吸附及电子结构性质。密度泛函理论计算表明,引入银表面后,体系的QCA性能并没有明显下降。进一步采用分子动力学模拟技术,探索了双笼分子在银表面上形成QCA器件的有序阵列。我们考察了温度对分子在表面聚集行为的影响,同时还比较了Ag(100)及Ag(111)两种不同表面的结果。我们发现双笼分子可以在Ag(100)表面形成“肩并肩”和“头连尾”两种模式的有序阵列。在不同尺度模型下,我们模拟了MQCA单元间的信号传输。通过解单电子哈密顿含时薛定谔方程考察了单个MQCA元胞内的信号传输过程,同时利用一个简的静电模型,探讨了由多个元胞组成的MQCA导线中信号的传输方式和时间尺度。我们的工作为设计开发新型MQCA器件提供了新的思路。三、电场调控的金表面寡肽分子开关的理论研究近年来,具有开关功能的生物表面广泛应用于药物输运、细胞培养、生物传感器以及组织工程等,其中由寡肽分子构成的开关表面引起了人们的关注。本论文利用基于电荷变化的可极化分子力场和分子动力学模拟技术,系统地研究了一系列金表面寡肽分子在电场调控下的开关行为。这类寡肽分子(Biotin-nKC)的头基为生物素分子(Biotin),作为活性识别单元；连接若干个带有NH3+基团的赖氨酸残基(K),作为开关单元；末端为具有一个巯基的半胱氨酸残基(C),用于与金表面连接。结果表明,寡肽分子链在外加电场下会受到强烈的极化作用,原子电荷发生剧烈变化,传统的力场方法采用固定的原子电荷,因而无法正确描述此类开关过程。寡肽分子链在外加电场的驱动下,链构象会发生伸展或折叠的“开”、“关”变化,与实验一致。我们还研究了不同长度的寡肽分子的开关行为,结果表明,构建此类表面分子开关时,需要将表面长短链间的长度差控制在一定的范围内,这样才能保证不同构象下表面活性的差异,从而具有开关的功能。