目前,低维纳米结构材料因其诸多的新奇性质和潜在应用受到了国际科技界的广泛关注。其中,(准)一维纳米结构因其显著的量子效应,尺寸效应和表面效应,迅速成为目前纳米科学的重点研究对象。特别是半导体纳米器件,因其被预计是未来半导体器件发展的必经之路,已经成为了热点研究问题之一。然而,至今仍然有许多的物理现象和规律没有得到很好的理解和揭示,例如电子、力学性质的尺寸效应、表面效应、力电光的耦合效应等。进一步,如何利用这些新颖的纳米结构材料来设计实际可用的器件更是一件最有意义且又具有巨大挑战的课题。本文基于第一性原理计算方法、分子动力学模拟方法、半经典和经典的物理模型等研究了几类半导体纳米材料的结构、电子性质、力学性质及其相互耦合的性质等,并从实际应用的角度出发,提出了基于石墨烯和碳纳米管混成结构的全碳场效应管设计方案,探索其性能调控的物理原理。主要的研究内容可归纳如下:(1)一维铋纳米线和纳米管的稳定结构和电子性质:我们研究了[012]晶向的单晶铋纳米线的结构稳定性。发现纳米线的形状对其能量稳定性有着重要的影响,并从化学成键和表面重构的角度解释了决定其稳定性的原因。进一步,我们研究了最稳定结构纳米线的电子性质,发现由于量子限制效应,纳米线的带隙随着直径的减小而增大,与实验的结果一致。然后,从纳米线的稳定结构出发,构造了[012]晶向的单晶纳米管,发现单晶纳米管的带隙大小主要取决于壁厚的大小,几乎不依赖于管径。为了与[012]晶向的单晶纳米管做比较,我们也研究了由铋原子层卷起的层状铋纳米管。我们发现,尽管单壁的层状纳米管比相同壁厚的单晶纳米管能量上更加稳定,然而层状的双壁纳米管与相同壁厚的单晶纳米管在能量上几乎是简并的。所以,我们预计随着壁厚的增加,单晶铋纳米管和层状铋纳米管都可能存在。并且最近的实验成功制备出了双壁层状纳米管,不仅从定性角度,而且在定量上证实了我们的理论研究结果。最后,我们还讨论了铋/锑轴向超晶格纳米线的结构和电子性质,发现它们属于Type-II超晶格结构,电子和空穴分别分布在不同的化学组分区域,并且在费米面附近出现非常尖锐的态密度峰,对应于平的电子能带,这对于提高材料的热电性能将非常有利。这一系列的研究对于理解一维铋纳米材料的结构和电子性质及其潜在的器件应用方面都有着重要的意义。(2)一维氧化锌纳米带和纳米线的电子性质和力学特性:研究了一维氧化锌纳米结构的电子和力学性质,发现不同的表面对结构的稳定性以及带隙的大小具有比较大的影响,然而对其弹性模量的影响较小。进一步,通过应用连续介质力学模型,对纳米线和纳米带的弹性模量的尺寸效应给出了一个合理的解释。我们发现,连续介质模型适用于直径在大约几十到几百纳米的氧化锌纳米线,理论预计与实验结果很好的一致;然而由于小尺寸的氧化锌纳米结构存在比较复杂的表面和内部弛豫,连续介质模型对这些超细(直径小于3纳米)的纳米线和纳米带是不适用的,突显了表面效应、非线性效应等对氧化锌纳米结构力学性质的影响。(3)石墨烯和碳纳米管的混成结构的稳定性、输运性质及其器件设计:通过分子动力学模拟和根据一些实验结果的启发,我们提出了一种基于石墨烯和碳纳米管混成(hybrid)结构的场效应晶体管器件的设计方案。我们发现,这类混成器件结构可以从一片双层石墨烯出发,通过形状裁剪和高温退火而获得。进一步,通过对电子输运性质的第一性原理计算,肯定了这类结构表现出良好的半导体性质。这个器件构造方案具有几个非常重要的优势:第一,整个形成过程是一个“自折叠”过程,非常不同于传统的碳纳米管器件形成方法,避免了对纳米管的移位放置和操控;第二,整个体系由碳原子通过sp2成键方式构成,无不饱和键,具有非常高的热稳定性和化学稳定性;第三,由半导体性的碳纳米管和双层的石墨烯分别来做器件的输运通道和电极,所以是真正的全碳型纳米器件,并且碳管和双层石墨烯之间的连接在原子尺度上是光滑连贯的(类似于材料学语言中的共格(coherent)界面),避免了金属电极的使用,极大地提高了器件的性能控制。(4)一维氮化硼纳米带的力电耦合性质:研究了氮化硼纳米带的力电耦合性质,发现在单轴应变下,锯齿型氮化硼纳米带的带隙可以在一个很大的范围内变化。并且,对于越宽的纳米带,其可调控性越好,这对于实际的应用来说具有非常重要的意义。进一步,我们发现这个特性来源于锯齿形纳米带的特殊的能带结构以及静电势对能带排布的影响。另一方面,我们还发现锯齿型氮化硼纳米带由于自发极化而具有一个比较大的偶极矩密度,并且偶极矩的大小和方向在轴向应力下可以在很大范围内变化,这些特性在未来的纳机电器件中将具有巨大的应用潜力。