入射光照射纳米材料表面激发自由电子的集体振荡产生表面等离激元现象,并随之出现一系列产物比如局域场增强和热载流子。目前,基于表面等离激元的实践应用还存在诸多局限性:传统贵金属材料中强烈的朗道弛豫衰减和散射效应导致表面等离激元的高传播损耗,并且贵金属的稀缺性也不利于可持续发展;目前在可见光波段响应的等离激元材料非常少,极大限制了基于太阳能转换利用的光电系统发展。因此,探索具有低损耗和宽带强响应的替代贵金属等离激元材料成为表面等离激元实践的重要研究方向。另一方面,金属材料中表面等离激元朗道弛豫衰减或半导体材料中单粒子光激发产生的热载流子是基于太阳能转换的典型实践。目前热载流子的低产生效率和高散射损耗等问题极大降低了热载流子系统效率。因此,从微观层面认识热载流子的产生和输运过程并准确量化,有助于实现热载流子系统效率的精准优化。认识和理解表面等离激元非辐射衰减的微观物理机制是解决表面等离激元和热载流子实践问题的基础。论文首先基于经典Drude理论量化研究表面等离激元在低频处的电子热运动衰减损耗。鉴于Drude模型对高频带间电子跃迁响应的局限性,论文进一步基于量子力学理论量化研究表面等离激元的朗道弛豫衰减过程,包括带间电子跃迁和声子协助的电子跃迁过程,实现了对表面等离激元非辐射衰减的重要产物热载流子产生效率的理论计算。最后,基于Eliashberg谱函数获得表征声子协助电子跃迁衰减的弛豫时间,结合Drude效应的弛豫时间和带间电子跃迁响应,论文获得了全面量化表面等离激元响应的介电函数计算模型。为了避免表面等离激元和热载流子理论计算对实验数据和经验参数准确性的依赖,论文基于第一性原理在Linux系统中编程实现了介质材料的光学响应,表面等离激元和热载流子性质的高性能计算（OPTx）。该计算结合最大局域Wannier函数和蒙特卡罗随机采样方法,采用并行计算和模块化分割理念解决了与声子相关计算过程中涉及的数据密集问题。因此,从基于太阳能转换利用的可持续发展角度出发,论文系统研究了贵金属合金材料,耐高温过渡金属氮化物、二维硼烯单层和半导体材料中表面等离激元和热载流子性质。一方面,针对贵金属的稀缺性限制,论文对贵金属合金的表面等离激元性质研究表明,合金化显著提高了局域表面等离激元共振（LSPR）的光吸收效率,并且证实了 Au-Al合金是一种高性价比的LSPR材料。此外,量化研究发现声子协助的电子跃迁主导了带间阈值能量附近的表面等离激元朗道弛豫过程;针对贵金属的低熔点限制,论文对表面等离激元性质与温度关系研究表明,具有可见光波段响应的耐高温等离激元材料TiN在不同温度下表现出高效光吸收和稳定低损耗表面等离极化激元（SPP）响应,并且温度主要影响声子协助的电子跃迁;针对新材料的表面等离激元性质探索,论文对二维硼烯单层的研究表明,具有各向异性能带结构特征的硼烯单层表现出极化敏感的SPP响应,并且X极化光在可见光波段产生了低损耗的SPP响应。另一方面,论文研究了金属材料表面等离激元的重要产物热载流子的性质,包括产生效率,能量和动量分布以及输运特性。贵金属合金化研究表明,合金材料具有优于单一贵金属的高能热载流子产生效率,并且与原子比例联系密切;温度与热载流子关系研究表明,TiN中高能热空穴和VN中高能热电子的能量分布具有热稳定性,并且温度对高能热空穴的影响明显高于高能热电子;对二维硼烯单层的热载流子研究表明,热载流子的能量和动量分布表现出强烈的极化敏感和方向性,特别是热电子的动量方向高度各向异性,热空穴则均匀分布。此外,论文对热载流子的输运特性研究发现,电子-声子散射对热载流子输运性质影响与电子-电子散射同样显著而不能被忽略。最后,针对半导体材料中主导的单粒子激发产生的热载流子,论文研究应力对热载流子性质的影响。研究结果表明,压缩实现了MoSi2N4中热电子和热空穴的有效分离,并且提高了高能热电子的能量分布概率。此外,热载流子的输运性质对应力反应非常敏感,尤其是拉伸显著增加了载流子的弛豫时间和平均自由程。