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纳米管具有较大的比表面积,很多物理和化学过程比如表面扩散、吸附、氧化、催化、腐蚀等等的发生都与表面有关。在纳米管的内外表面上进行掺杂吸附等修饰改性,能够改变纳米管的物理和化学性质,从而扩展纳米管的应用。本文以氮化硼纳米管(BNNT)为主线,采用第一性原理方法,重点研究了BNNT填充、掺杂和吸附过渡金属以及气体的结构、电子和磁性质,主要工作及结论如下：(1)对于hcp结构的TMn(TM=Fe、Co、Ni,n=4、10、13)纳米线填充入碳纳米管(CNT)(m,0)(m=7-12)和TM13纳米线填充入(12,0)BNNT,完全弛豫后复合系统结构形状的变化非常微小。在结合过程中,除了TM4/C(7,0)、TM,3/C(12,0)和Fe13/BN(12,0)系统吸热,所有复合系统都是自发地放热。BNNT在封装较粗的纳米线方面优于CNT。对于bcc结构的TM。(n=5、9、13)纳米线填充入(8,8)ZnO纳米管(ZnONT),TM13纳米线与ZnONT之间强烈的作用导致ZnONT变为类似四个花瓣的形状和TM13纳米线的旋转。所有TMn/ZnO(8,8)系统在结合过程中都是放热的,且最稳定的结构为TM13/Zn0(8,8)系统。电荷由纳米线转移到纳米管。随着CNT直径的增加,系统转移的电荷减少；随着纳米线粗细的增加,系统转移的电荷增加。形成的TM-C和TM-N键具有共价键的特征,而TM-O键则具有离子键的特征。所有复合系统都表现出金属特性和磁性,其磁性主要来源于TM纳米线。复合系统的平均磁矩随着CNT直径的增加而增加,随着TMn纳米线粗细的增加而减少。相对于自由的TM纳米线,较宽松包裹复合系统的磁矩几乎没有减小。复合系统中每个TM原子的平均磁矩都有不同程度地减少,特别是纳米线最外层的原子的磁矩减少的最多。(2)对于Fe(1-x)Cox合金纳米线填充入zigzag型(10,0)CNT和BNNT,所有Fe(1-x)Cox/CNT系统在结合过程中自发地放热。但BNNT的封装仅在x>0.6时加强了系统结构的稳定性,最稳定的结构为Fe0.2Co0.8/BNNT系统。电荷由Fe(1-x)Cox合金转移到纳米管,形成的Fe-C(Fe-N)与Co-C(Co-N)键具有极性共价键的特征。尽管(10,0)CNT和BNNT都是半导体且没有磁性,在填充了Fe-Co纳米线后,复合系统全都显示出金属特性和磁性。复合系统的自旋极化率和总磁矩均小于相应的自由Fe(1-x)Cox纳米线的自旋极化率和总磁矩。随着Co原子浓度的增加,复合系统的磁矩单调地降低。复合系统具有较大的磁矩意味着它们在高密度磁数据存储方面的潜在重要应用。(3)在(4,4)和(8,0)BNNT中,用TM(V、Cr或Mn)原子替代一个B原子或者同时替代B和N原子。BNNT在掺杂TM后发生了明显的局部变形,几乎所有的TM原子都突出到管壁外面。V替代掺杂在(4,4)BNNT的B位具有半金属特性,而TM替代掺杂在(4,4)BNNT的BN1位置则为金属特性。纳米管的手性对TM在B位和BN2位替代掺杂的磁性没有影响,但对于TM在BN1位替代掺杂的磁性有明显地影响。掺杂TM的BNNT系统,特别是在BN2位置的掺杂,具有非常大的磁矩。因此,控制掺杂不同的TM原子或者同一TM原子在BNNT的不同位置能够调节BNNT的电子结构。掺杂TM的BNNT系统能够用作氢存储器件、气体感应器件、催化剂以及磁性数据存储器件。(4)CO和NO分子吸附在掺杂TM(V、Cr、Mn、 Fe、Co和Ni)的(8,0)BNNT的结合都是放热过程。较大的结合能与电荷转移表明气体分子与掺杂TM的BNNT之间为化学结合。在掺杂TM的BNNT上,NO比CO的吸附更为稳定。而且NO分子吸附在TM-BNNT系统的N位比B位更稳定。最稳定的吸附模式为C或N(NO中的N)原子与TM原子相结合,而O原子远离TM原子。复合系统的带隙中存在局域杂质态。由于BNNT和气体分子被诱导出负的磁矩,相对于TM-BNNT系统的磁矩,大部分气体吸附系统的磁矩有所减小。CO分子的吸附对TM-BNNT系统的磁性影响较小,而NO的吸附对TM-BNNT系统的磁性影响较大。所以通过气体吸附在掺杂不同TM原子在BNNT的不同位置能够调节BNNT的电子结构与磁性。掺杂TM的BNNT够用作制造CO和NO气体传感器件的原材料。(5)六个TM(V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)线性单原子链吸附在(5,5)BNNT外表面的过程都是放热的。不同TM原子链吸附在BNNT上的最稳定吸附位置是不同的。所有TM原子链均可以吸附在N位,而吸附在Z位都是不稳定的。V或Cr吸附在H和N位,以及Mn吸附在A位的吸附系统具有半金属特征。电荷全都由TM原子链转移到BNNT,从而导致半导体BNNT的金属化。即使对于同一TM原子链,吸附在纳米管的不同位置时,由于纳米管表面的不同限制,其磁矩是不同的。在六个原子链的最稳定吸附系统中,复合系统的磁矩大小按着V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的顺序先升后降,在Cr处具有最大的磁矩。研究结果不但解释了TM原子链与BNNT的结合特征,而且还能说明BNNT的物理特性是如何受所吸附的TM原子链的影响。研究结果还有助于纳米器件的合成,比如纳米探针、金属连接触点和自旋电子器件,以及进一步研究纳米管基的传感器、催化剂和磁数据存储设备。