未来电子器件要求有更小的体积与更快的运算速度,因此近年来分子电子学与纳米电子学成为研究的前沿。本论文以未来纳米尺度光电器件的研究为导向,开展在理论指导下的新型有机分子器件与具有直接带隙的二维纳米材料的设计、合成与表征的工作。本论文主要包括两个方面的研究。首先,采用非平衡格林函数-密度泛函理论的计算方法,首次设计了一系列新型无取代基的分子整流器,并对其电荷输运性能、分子整流性能进行了研究。此外,针对二维纳米材料石墨烯的带隙为零,难以直接构筑高开关比的晶体管和光电器件这一问题,探索具有直接带隙的人工二维纳米材料。为了达到调控二维纳米材料能带的目的,本文中采用了两种策略：(一)探索石墨烯表面修饰有机染料分子的新方法,提出采用层层自组装的方法构筑石墨烯-酞菁铜光电薄膜；(二)以固有直接带隙的新型二维纳米材料(如MoS2、WS2和BN纳米片等)为研究对象,提出一种混合溶剂高效地液相剥离的制备策略,并探索了这些新型二维纳米材料的非线性光学性质。本论文主要取得的研究成果如下：1.基于非平衡格林函数-密度泛函理论的计算,首次设计了一系列类azulene结构的无取代基分子整流器。通过构筑金属-分子-金属的模型,研究了类azulene系列分子的电子传输性质。发现类azulene系列分子具有高电导,而且它们的整流性质与外加偏压具有一定的相关性。在所有的无取代基类azulene系列结构中,环庚[b]环戊并[g]萘具有最高的整流比。这说明同时获得高电导与高整流比有两个要素：全稠合的芳香环结构以及五元环和七元环之间适当的分离。接着,又进一步研究了取代基和吸附原子对类anzulene系列分子整流特性的影响。发现通过在五元环和七元环上分别添加吸电子和给电子取代基,可以相对提高类azulene系列分子的整流比。此外,在五元环上吸附锂原子,也可以进一步提高整流比。本部分的工作展示了类azulene系列分子可能成为新一代的高电导的单分子整流器。2.首次采用静电层层自组装的方法构筑了石墨烯／氧化石墨烯与酞菁铜染料的复合光电薄膜。通过简单地改变自组装的步骤,即可控制复合薄膜的厚度和光电响应。在此基础上,首次采用变角度光谱型椭偏法对所得的石墨烯-染料复合薄膜进行了表征。研究发现,石墨烯-染料复合薄膜的复数折射率在染料吸收带区域里会发生显著的变化。此外,光电流响应的测试表明,复合薄膜的光电流与氧化石墨烯-酞菁铜的层数呈指数增长的关系。3.首次提出了一种采用混合溶剂液相剥离石墨烯无机类似物(IGAs),制备二维纳米片的新方法。在Hansen溶解参数(HSP)理论的指导下,两种不良溶剂按照适当比例混合后可以实现对二维纳米材料的高效分散。采用这种方法,在乙醇/水混合溶剂中成功地获得WoS2、WS2和BN纳米片的稳定分散液,其浓度可以分别达到0.018,0.032和0.075mg mL-1。利用所得分散液,可以通过电泳沉积的方法制备均匀的薄膜。其中,MoS2、WS2薄膜的光电流响应要远高于未分散的块体材料。这一现象可以归因于分散后的少层薄膜由块体的间介带隙材料转变为直接带隙材料。此外,还研究了MoS2和WS2的非线性光学性质,揭示了其尺度与非线性光学性质的关系。由于HSP理论具有广泛的适用性,这种混合溶剂分散法可以作为一种通用策略,用于分散不同纳米材料。