碳纳米管是新发现的碳元素的另一种单质形态。它具有纳米数量级直径和微米数量级长度的圆柱面的外形。碳纳米管可以看作是由正六边形格子的石墨结构卷曲而成，具有很高的旋转对称性和平移周期性，因此具有优良的力学和电学性质。碳纳米管既可以表现为金属性质及半金属性质、又可表现为窄带半导体性质，完全取决于它的螺旋度和直径。甚至在同一根碳纳米管的不同区域，它也可以展现不同的电学性质，是量子力学基本原理不可多得的理想的实验样品。基于碳纳米管在纳米光电子学及分子器件量子计算机方面潜在的应用前景，碳纳米管的物理性质研究成为当前凝聚态物理和材料科学的前沿热点课题。 本文主要从理论上研究碳纳米管的结构性质和电子输运性质。探讨了碳纳米管的几何结构与电子性质的关系、多壁和单壁碳纳米管圆环的形成机理、多壁碳纳米管中电子输运的弱局域化现象、碳纳米管的分子内异质结的电子结构及其对电子输运性质的影响、单壁碳纳米管中电子的弹道输运以及电极与碳纳米管间的界面散射所引起的量子干涉对碳纳米管量子电导的影响等内容。论文共分为五章： 第一章为引言。这一章对碳纳米管研究的发展历史，碳纳米管的合成方法、研究现状，它的基本性质及应用前景作了简单的评述。 第二章为碳纳米管的几何与电子结构。首先利用Bloch定理推导出了石墨层的能带结构，再利用石墨能带折叠法求出了碳纳米管的能带和色散关系。由此证明碳纳米管可以表现为金属性的、也可以表现为窄带半导体性质，完全取决于它的螺旋度和直径。在金属性质碳纳米管的费米面附近，得到了简化的能量色散关系。 第三章为碳纳米管环的形成机制。在这一章中我们运用连续介质弹性理论模型探讨了碳纳米管环的形成机制。我们的结果表明多壁碳纳米管环的形成是由于层间的vanderWaals互作用能量、多壁碳纳米管的最外及最内表面的表面能、碳纳米管相对于石墨平面的卷曲能量、及碳纳米管相对于直管的弯曲弹性能量的竞争结果。形成过程是满足总的形成自由能为零的自组织过程。单壁碳纳米管环的形成是为了悬挂键的重新成键以降低系统的总能量。所形成的单壁碳纳米管环的半径所对应的成形阈能最小。 第四章为弱局域化效应与多壁碳纳米管的磁电阻。这一章中我们介绍了AB效应与AAS效应的基本特征，并且在弱局域化模型的框架下建立了一个围绕碳纳米管管轴传播多圈的电子分波的多圈量子干涉模型，解释了在较大直径的多壁碳纳米管电子输运实验中观测到的磁电阻随磁通量的高频振荡。 第五章为单壁碳纳米管的量子输运。与宏观的电路器件不同，电子通过单壁碳纳米管时的输运过程不再是由经典的扩散方程决定，而是一个由量子力学描述的复杂过程。在第一节中我们给出了由紧束缚近似Green函数方法计算单壁碳纳米管的量子输运过程的详细推导。第二节中我们利用第一节中介绍的方法计算了几种典型的单壁碳纳米管分子内异质结的电子结构和输运性质。计算结果表明金属－半导体异质结的界面处有局域束缚态，输运性质等效于一量子点。金属－金属结的输运性质很有趣。在费米面附近，两个金属性质的碳纳米管连接起来不一定仍表现为金属行为。金属－金属结的电导对两个碳纳米管的连接方式非常敏感。第三节中我们探讨了单壁碳纳米管电子共振腔的量子电导随门电压振荡的起因。计算结果表明了电导随门电压快振荡及慢振荡背景都是金属碳纳米管的本征属性所引起的电子波的量子干涉所致。缺陷和无序都对规则的快慢振荡不利。实验中观测到的深的电导下落则来源于吸附在碳纳米管表面的杂质原子。第四节中我们研究了公度的(5，5)@(10,10)、(9，0)@(18,0)与非公度的(9，0)@(10,10)和(5，5)@(18,0)双壁碳纳米管(DWNTs)的管壁耦合及其电极界面散射对它的量子输运性质的影响。对于公度的双壁碳纳米管(5，5)@(10,10)和(9，0)@(18,0)，管壁间耦合和电极界面散射都能导致量子电导的振荡。而对于非公度的DWNTs(9，0)@(10,10)和(5，5)@(18,0)管，量子电导随门电压的振荡不会由管壁间耦合产生、但是可由电极界面散射激发。外管壁为Zigzag管型的DWNTs不会出现背景慢振荡。