随着理论计算模拟手段的日趋成熟和计算机技术的飞速发展,第一性原理计算方法由于其成本低、效率高、结果准确等优势,在物理、化学和材料等各个学科中都具有非常广泛的应用。本论文主要利用第一性原理计算、自适应基因算法和非绝热分子动力学等理论方法,研究了LaA103/SrTiO3(LAO/STO)异质结中湿电子态性质,锐钛矿/金红石Ti02两相异质结中载流子动力学过程,和K原子促进O2分子在Au(111)表面化学吸附的物理机制。在第一章中,首先,我们简要介绍了多体体系的电子结构理论计算方法,重点是基于电子密度的密度泛函理论。然后,我们从波恩-奥本海默近似的绝热分子动力学出发,考虑绝热近似不再成立的情况下,引入了非绝热分子动力学方法,重点介绍了基于密度泛函理论和面跳跃的方法,并给出了利用Hefei-NAMD程序计算多体体系激发态动力学的具体流程。最后,我们对全局结构优化算法进行了简单介绍,重点是结合密度泛函理论和基因算法的自适应基因算法,说明了利用自适应基因算法搜索结构的计算流程。在第二章中,我们提出了通过极性-非极性氧化物异质结来调控表面湿电子态性质的理论设计方案。氧化物表面的湿电子态由于其弥散的特征为电子传输提供了很好的传输通道,当电子被激发到湿电子态上之后,常常有质子-电子耦合的电荷转移过程发生,因此在物理、化学、生物等领域有很多重要的应用。然而,在氧化物表面,湿电子态由于其能量太高,寿命太短而难以被充分利用。我们以H20吸附在LAO/STO异质结表面的湿电子态为研究对象,通过质结中的内建电场成功的将湿电子态稳定在费米面附近,从而有利于湿电子态在光催化反应和电荷传输中的应用。另外,我们还利用非绝热分子动力学方法,模拟了 P型LAO/STO异质结中LAO的层数为3层以内时,实验上一直难于观测到的电子激发到湿电子态后的电荷转移动力学过程。在第三章中,我们以锐钛矿/金红石Ti02两相异质结为研究对象,利用自适应基因算法搜索到了稳定的界面结构,并利用非绝热分子动力学方法研究了稳定结构界面处的电子空穴分离和电子空穴复合等动力学过程。另外,考虑氧空位存在的情况下,研究了杂质态的引入对Ti02异质结中电子-空穴复合过程的影响。最后,基于计算结果,我们总结了二氧化钛异质结中电荷转移和电子空穴复合动力学过程的一般规律,在一定程度上解释了实验上一直以来的争议。我们的研究能够从理论上更深入地理解锐钛矿/金红石异质结能够提高光催化效率的微观机理,有助于太阳能转化功能材料的设计。在第四章中,我们同匹兹堡大学的实验组合作,结合扫描隧道显微镜(STM)实验,利用第一性原理计算方法研究了K原子促进O2分子在Au(111)表面化学吸附的微观物理机制。我们发现,K原子吸附在金表面后可以形成的二维K+离子晶格大大降低了金表面的功函数,从而显著地促进表面O2的化学吸附。同时,我们还确定了在不同K覆盖度情况下表面K-O2聚合物的结构。另外,通过O-O的伸缩振动能量和相关的振动频率,证明了表面上的K2O2团簇具有介于过氧化物和超氧化物之间的中间性质。论文的最后进行了工作的总结以及对未来工作的展望。