准一维纳米材料包括纳米管、纳米线、纳米条带等,作为一种在两个维度上都存在尺度限制的材料,它具有非常显著的量子效应、丰富而奇异的性质和超乎想象的功能,因而受到国际科技界的普遍关注。其中由碳、硼、氮、硅等轻元素组成的材料体系,由于其存在的广泛性、制备的简便性、良好的稳定性和应用的普遍性,成为研究最为广泛的材料体系。同时,材料的多元化将使其具有更加丰富的性质,除了材料本征的多元化以外,在单元材料中进行掺杂也是改变材料性质、实现其多元化的一种有效途径。目前对准一维轻元素纳米材料的关注在持续升温,然而对其力-电-磁耦合性质的研究还处于相对初步阶段,尤其对通过不同的掺杂方式使其形成多元化材料的性质与功能作用的研究更为匮乏。本文基于第一性原理密度泛函理论计算,对碳-氮化硼异质型纳米管、单原子掺杂的石墨烯条带、碳原子间隙掺杂的硅纳米线和本征多元半导体纳米线等一系列准一维轻元素多元纳米材料性质进行了系统的物理力学研究,主要内容如下:(1)C-BN轴向异质纳米管的稳定性与电子学性质研究将一定宽度的单层石墨烯条带和一定宽度的单层氮化硼条带通过C-N键或者C-B键沿生长方向连接形成C-BN轴向异质型单层条带结构,然后按照与CNT同样的方法卷曲而形成C-BN轴向异质型纳米管。由于晶格的失配,碳、硼、氮三种原子分别形成了半径不同的半圆形管壁。我们分别从热稳定性、相对碳纳米管和氮化硼纳米管的稳定性及动力学稳定性三个方面入手,证明了我们提出的这种纳米管可以在室温乃至上千度的高温中稳定存在。通过第一性原理的计算,深入了解了C-BN轴向异质管的电子学性质。研究发现,锯齿型的纳米管全部都是直接带隙的半导体,其带隙依赖于管径尺寸、C和BN组分的配比而变化。而对于扶手椅型的纳米管,大部分都显现金属的性质,除了两类情况是半导体,即直径小于0.6nm的极细纳米管和组成中只含有极少量的C成分的纳米管。而半导体性的扶手椅型纳米管的带隙基本不随直径的变化而改变。这些性质是纳米体系中的量子限域效应和管壁曲率效应相互作用的结果。因此,我们可以较容易地通过调节碳与氮化硼的成分配比而调控纳米管的电子学性质。(2)C-BN螺旋异质纳米管的电子学性质及输运性质研究我们通过将一条石墨烯条带和一条BN条带在空间中以螺旋的方式交错缠绕在同一根管的管壁上,并用B-C或者N-C键使两者相连接来构建C-BN螺旋异质纳米管。根据缠绕的方式和纳米条带的手性不同将其分为四类,我们发现zz Cm-(BN)n-mNT不论大小基本为导体性质,只有当C的成分比例极小的情况下带隙会打开;aa Cm-(BN)n-mNT和az Cm-(BN)n-mNT基本为半导体性质,并且带隙均随管径增大而单调减小,随C成分比例减少而增大;za Cm-(BN)n-mNT在尺寸很小时和C成分比例比BN高时表现金属的性质,其余情况下则为半导体,带隙随管径变化可以分为三组不同的趋势。这四类C-BN螺旋异质纳米管的功函数都与同大小的纯CNT相当,其中zigzag手性的纳米管两端的功函数差别较大,使系统出现表面极化,而armchair手性的纳米管则没有偶极矩。四种C-BN螺旋异质纳米管都表现了很好的输运性质,导体性质的zz Cm-(BN)n-mNT的I-V曲线与欧姆定律相吻合,半导体性质的三类纳米管中电流的开关可以很好地由外加偏压控制。由于输运电流的沟道是螺旋形的,C-BN螺旋异质纳米管可以作为纳米尺度的新型螺线管,根据安培定则,它们可以产生高达1.5T的磁场,同时外加电压可以方便的控制磁场的产生和变化,从而产生感应电动势,使C-BN螺旋异质纳米管成为缺失已久的微观电感器件。(3)螺旋扭转的锯齿型石墨烯条带(ZGNR)的输运半金属性的研究系统地研究了螺旋扭转的ZGNR的电子学性质、磁性质和输运性质。结果发现螺旋扭转的ZGNR的电子学性质和磁性质与本征的ZGNR差别不大,带隙随带宽的增加而减小,随卷曲半径的增大而振荡。两种不同方向的自旋电子分别占据ZGNR的两端,导致了系统的反铁磁性基态。重要的是,在沿锯齿型纳米管管壁卷曲后的Z-ZGNR中发现其铁磁性和反铁磁性态都具有输运半金属性,这一性质并不是由其电子学性质决定的,而是作为零维量子点的平行四边形纳米片结构所导致的。当增大带宽或卷曲半径时,会使一种自旋沟道的零传导区域宽度减小,并不会使输运半金属性消失。但沿扶手椅型纳米管管壁卷曲后的A-ZGNR中没有这一性质,因为偏压只能实现两条锯齿型边缘间的半金属性。这说明Z-ZGNR可以成为重要的自旋过滤器件,在很大的偏压范围内实现自旋输运100%的极化。(4)单原子掺杂引入的内应力及施加外部应力对一维石墨烯条带结构、电子学性质及磁学性质的影响研究B、N、Be、O、Al、Si、P掺杂锯齿形边缘的石墨烯纳米条带能引起不同的内部应变,B和N由于与C原子结构相近大小相似引起的应变最小,其它原子掺杂后引起的结构变形可以根据掺杂原子X的电荷态分为三类:p型掺杂显著拉长X-C键长而不会引起厚度方向的变形;n型掺杂主要使纳米条带以掺杂点为折点发生弯折变形;中性Si原子掺杂在边缘时能使纳米条带发生弯折,掺杂在中间位置时则只拉长Si-C键长。我们提出把系统体积变化划分为由掺杂原子本征尺寸不同引起的变化和由电子环境改变引起的变化两部分来解释结构变化的物理原因。同时外加应变后,对不同电荷态掺杂的体系影响也不同,且沿生长方向和沿宽度方向施加的应变使体系键长和弯折程度变化的规律也有很大差异。所有原子掺杂后的系统都是以反铁磁态为基态。在边缘掺杂时p型掺杂使价带上移,n型掺杂使导带下移,穿过费米面,并产生自旋分裂,所以此时的石墨烯纳米条带都是导体性质的。同时掺杂边缘的磁性消失,系统的磁矩只由非掺杂边缘的C原子的电子贡献。在中心掺杂时,磁矩仍然由纳米条带两端的C原子上不同自旋态的电子提供,杂质原子会产生穿过费米面的能带使体系变为导体性质,只有P和Si掺杂体系由于杂质态自旋分裂的能级较深而保持半导体性质。(5)间隙掺杂碳原子的Si纳米线中外部应变调控磁学性质的研究由于Si纳米线在太阳能电池、场效应管及传感器等方面的巨大应用前景,对它各方面性质的研究很广泛。我们这里着重于其磁性的研究,Si纳米线本身并不具备磁性,而带有单悬键的氢钝化硅纳米线在有碳原子间隙掺杂时表现出铁磁性的基态。并且如果碳原子掺杂在纳米线的中心位置,还将导致100%自旋极化的半金属性,这种半金属性不会因为纳米线尺寸大小和碳原子的掺杂浓度而改变。如果我们施加了轴向均匀应变,纳米线的磁性或者半金属性会随着拉应变而增强,而受到压应变的抑制。这种应变对磁性的调控是由缺陷态的电子局域化和表面Si原子的悬键态、碳原子及其相邻的Si原子三者间π-π相互作用彼此竞争所导致的。我们的研究为Si纳米线在纳尺度自旋电子学器件方面的应用指出了新的途径。(6)二元半导体纳米线中的力电耦合的研究以Zn O和Cd S为蓝本,详细研究均匀应变和非均匀应变对二元半导体纳米线电子学性质的影响。首先系统研究了单轴、侧向和剪切三种均匀应变对[0001]方向生长的矩形截面Zn ONW电子学性质的影响。发现所有的Zn ONW都是直接带隙半导体,带隙随单轴拉(压)应变的增加而减小(增大)。{10?10}表面的侧向拉(压)应变可以提高(减小)Zn ONW的带隙,这恰好与{1?210}表面的趋势相反,但它们都保持了非常明显的非线性性质。剪切应变会使纳米线的带隙减小,不同的是沿x方向的剪切应变使带隙减小的速度很快并伴有非线性,而沿y方向的剪切应变几乎线性地削弱带隙。其次我们发现Zn O和Cd S这类II-VI族半导体纳米线在受到弯曲应变时带隙会减小,并且应变越大带隙越小,这一方面是由弯曲应变中交错排列的拉压应变区域引起的能级补偿作用导致的,另一方面,应变的高阶项——应变梯度是导致带隙减小的重要原因。通过阴极光谱的实验可以很好的证明应变梯度与带隙之间存在线性关系,我们称之为柔性电子效应(flexoelectronic effect)。