分子器件以独特的尺寸和性能优势在纳米电子学中备受关注,它是集成电路的基本元件,应用较为广泛,包括逻辑和存储器件、智能材料、传感器、分子电动机、分子规模晶体管等,目前发达国家已将分子器件列为重点研发对象。分子器件的电子输运性质以及多种因素对输运性质的影响在器件应用中至关重要,故分析电子输运机制、探索新型分子、探究电极等部件对输运性质的影响是分子电子学亟需解决的问题。吡啶分子凭借其特色吡啶环在高导电性分子器件中备受关注,本文采用基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法的第一性原理首先探究了不同电极材料（三维金属电极:金、银、铜;二维石墨烯电极;不同宽度的一维窄锯齿状石墨烯纳米带电极）对基础吡啶小分子器件电子输运性质的影响。结果表明:由4原子宽锯齿状石墨烯纳米带电极构建的基础吡啶分子器件的电子输运性能最佳,主要表现在该种器件在费米能级处的电子透射率最高,这是由其扩展的电子态决定的;只有该种器件呈现出有应用价值的负微分电阻效应,这是初始输运主导轨道影响力衰弱导致的;吡啶小分子与该电极之间的耦合力最强。基于性能最佳的一维窄锯齿状石墨烯纳米带电极,本文对比分析了两类吡啶分子（共轭类和饱和链桥连接类）器件的电子输运性质,结果表明:这两类分子器件以其特有的分子和电极均展示出优异的非平衡电子输运行为。共轭吡啶分子器件由于其始终离域的电子态具有较大的电流;主导输运轨道的更替使其呈现出双峰到单峰的透射峰演变;初始主导输运轨道因远离费米能级而对电子输运影响力减弱使其产生较强的负微分电阻效应。相比之下,饱和链桥连接的分子器件则具有多段负微分电阻效应,低偏压下的该效应是在主导输运轨道远离费米能级时较高的速度和局域电子态的共同作用下产生的;主导输运轨道明显不对称的电子态和对正负偏压完全不同的响应使其呈现出整流效应。这些物理效应表明它们在高速逻辑器件的开发中具有广泛的潜在应用,显示了窄锯齿状石墨烯纳米带电极和吡啶分子在分子电子学中的光明应用前景。分子绝缘体与分子导体同样重要,它可以防止分子阵列中导体之间的电子串扰,在单分子电子元件开发中起着关键作用。受吡啶环启发,突破线性分子绝缘体的研究局限,本文对比烷烃环分子器件,研究了环状硅氧烷分子器件的电子输运性质。结果表明:硅氧烷分子环呈现出高度局域化的电子态,使得硅氧烷环分子器件的电子输运具有更强的受抑制状态,更快的尺寸依赖性衰减速度,这主要是由硅氧烷环独特的电子耦合模式决定的,而这电子耦合模式则归因于Si-O键的强极性,极性导致了电荷局域化,使得硅氧烷环的电子耦合较弱,抑制了电子输运。烷烃环分子器件的输运衰减则源于电荷转移过程中的电子局域化程度的加剧,实际上也就是分子-电极界面处的势垒的增强。此外,分子环整体结构波动程度的增加致使分子环器件的电子输运衰减。这些研究结果表明了硅氧烷分子环用作分子绝缘体的优越性。本文从分子类型、尺寸和电极的角度探究了环状分子器件的电子输运性质,预测了多个不同的功能性分子器件。本文的研究成果有助于深入理解分子器件的输运性质,为功能性分子器件的设计和应用提供理论支持,为推动环状分子在集成电路中的应用具有重要意义。