随着当今电子科技的发展,要求对未来电学器件的尺寸越来越小,当其接近原子或分子尺度时,具有纳米量级的电学器件便出现了。1985年,英国科学家 Kroto与美国科学家 Smalley发现了石墨与金刚石以外的第三种形式——C60,一种由12个五边形和20个六边形的二十面体空心球结构,于是揭开了关于碳基纳米材料研究的序幕。在之后的几十年中,不同结构的碳基纳米材料每一次的发现,都引起了纳米科学界的广泛关注,关于碳纳米管、石墨烯、石墨纳米带以及最近出现的石墨炔的实验与理论方面的研究,均为以上纳米材料在纳米器件的设计与应用方面提供了支持。经过研究,发现多种碳基纳米材料不但具备极强的力学性能,同时具有极为优异与独特的电学性质,其由于不同的手性与结构引起的电子输运性能的不同更加成为人们关注的焦点。也正由于此种特性,令碳基纳米材料应用于电学器件设计时,具备可以拥有极其新奇的电学性能的可能。然而,当其应用在纳米电子器件设计时,难以避免地会遇到与传统的金属晶体或者纳米材料相接触的情况。于是,关于纳米材料所形成异质结的相关问题则成为研究的重点与难点所在。　　本文就是针对碳基纳米材料与其构成的异质结对其本身电学性质的影响,给予了系统性的研究。应用第一性原理结合非平衡格林函数方法,对各种纳米材料与异质结的结构进行了原子弛豫计算与电子输运性质计算,从而得到了关于异质结结构、材料、尺度等因素对其电学性质与电子结构的影响,并对其影响机理进行了初步的分析与解释。具体内容如下:　　首先,对于碳基纳米材料的基元,包括碳纳米管、石墨烯、石墨纳米带等材料的模型构造进行了第一性原理计算,对其不同手性或方向上的纳米材料进行非平衡格林函数方面的计算。发现在不同手性或不同电子输运方向上，纳米材料分别显示出金属与半导体等电学性质。　　接下来,我们计算了关于金属-碳纳米管异质结的结构与电学性质。我们分析了不同的几何结构、碳纳米管手性与管径对其电子输运性质的影响,发现由于几何结构的不同会构成不同的异质结原子弛豫结果。然而,其电子输运性质却是相似的,异质结电学性质的改变主要决定于金属接触对碳纳米管电子结构的改变,会出现令金属碳纳米管导电率降低,而使半导体碳纳米管呈现金属特性等独特的电学性质。　　之后,我们考虑构造了由不同手性和宽度连接起来的石墨纳米带异质结材料,对其接触界面出现的拓扑缺陷结构进行第一性原理计算。着重分析其缺陷结构与石墨纳米带宽度对异质结电学性质的影响。我们发现由于异质结的非对称结构,使得其伏安特性曲线也呈现出明显的非对称性,并且发现其具备非常优异的二极管整流特性,且其性质与拓扑缺陷结构关系紧密。石墨纳米带的宽度,主要决定了构成异质结的电导率的强弱。在分析了各种不同结构的石墨纳米带异质结,我们认为具备5-7-5拓扑缺陷结构的A9-Z4石墨纳米带具备最为优异的整流特性以及电导率强度。　　在基于金属-碳纳米管研究的基础上，我们构造了金属-石墨纳米带异质结结构。我们运用与之前相同的方法研究异质结的电子输运性质,并讨论了其电学性质的影响机理。我们发现不同金属对石墨纳米带的电子输运性质有着不同的影响,其趋向于提高金属石墨纳米带的电导率,而使半导体石墨纳米带中的电流抑制区域消失。这均是由于金属与石墨纳米带接触时,由于金属外电子轨道与纳米带中碳原子π轨道相互叠加,从而改变了与之相近的碳原子电子结构,而随着距离金属界面的碳原子距离的增加,对其电子结构的改变却逐渐减弱,并更加接近原始的石墨纳米带电子结构。　　最后,我们研究了最近发现的碳基纳米材料石墨炔结构与其电学性质。运用第一性原理方法构造了不同结构的四种石墨炔构型,分析其电子输运性质的不同以及石墨炔结构中碳链的长短对其电学性质的影响。发现沿不同方向的石墨炔结构具备不同的电子输运性质,这与石墨烯结构相似,然而其性质与碳原子链的长短有决定性的关系。对于石墨炔电子结构的分析,发现不仅在苯环中,在碳原子链中同样存在着π轨道结构,这就解释了其与石墨烯相似的电学性质,而碳原子链的电子输运能力要明显弱于π键的电子输运,因此使得石墨炔的电导率要弱于石墨烯,并随着碳链长度的增加,石墨炔电导率逐渐减弱。同时,我们发现石墨炔族中的电学性质呈规律性变化,其由1,3个炔链结构,和2,4个炔链结构构成的石墨炔分别具有相似的电子输运性质。而对由石墨烯与石墨炔构成的异质结电子输运性质的分析,同样发现了由于非对称性结构引起的整流特性,而在较低偏压下其伏安特性曲线却呈现较为对称的曲线结构。以上结果为石墨炔将来应用于纳米材料异质结连接材料奠定了理论基础。