本论文涉及两个方面的研究内容,即新型碳纳米材料及器件的光电特性研究和金属材料中氦原子聚集成泡行为的研究。具体内容如下：1.碳基纳米材料(富勒烯、碳纳米管以及石墨烯)具有良好的力学、电学、光学等物理特性,有望替代传统硅基半导体材料。目前,设计新型碳基纳米材料及器件的研究已成为一个重要的研究方向。(1)最近,我们课题组基于碳纳米锥设计出了相应的电整流器。然而,进一步研究发现,当把电极材料由Au换成Pt时,器件电整流特性消失。事实上,这个现象也普遍存在于单分子整流器的研究中,但相关机理还不清楚。为此,本文系统地研究了不同电极材料、电极表面与碳纳米锥的距离以及电极的表面结构等因素对电整流特性的影响,表明该器件的电整流特性源于单壁碳纳米锥的能级结构。不同电极材料(或电极表面结构)会不同程度地破坏纳米锥的能级结构,影响器件整流特性；当电极材料与纳米锥的结合能小于2eV时,器件方可呈现出电整流特性；适当地增加电极与碳纳米锥锥尖的距离可有效提高器件的电整流率(当距离从2.5A增加到5A时,器件的电整流率提高约3倍)：铜电极可作为这类器件理想的电极材料。(2)自从2007年我们课题组从理论上提出通过机械拉伸石墨烯制备单原子碳链的可行性方案以来,已有一些研究小组采用类似的方法成功制备出十几个原子长的碳链并展开相关研究。目前在理论方面人们采用标准密度泛函理论对单原子碳链的物性已展开了大量的研究,但计算得到碳链的能隙仅有0.3eV,而实验估算值为2.2eV或2.56eV,二者相差近一个量级,表明标准密度泛函理论无法精确预测单原子碳链的物理特性。本论文尝试利用杂化密度泛函理论研究单原子碳链的特性,结果表明此方法可以给出与目前相关实验数据相一致的计算结果：单原子碳链具有直接带隙半导体特性,能隙为2.21eV；其一维弹性模量为90 eV/A,最大拉伸量接近20%,相应的极限强度为12.2nN(实验测量值：11.2nN)。更有趣的是,通过单原子碳链光学吸收谱的计算,发现其在可见光范围内呈现出强的单色光吸收特性和明显的光偏振吸收特性(平行和垂直于碳链方向的吸收系数相差5个量级),表明其有潜力作为新型纳米发光材料。(3)目前,尽管新型纳米发光器件的小型化已取得了一些实质性进展,但其输出波长仍不可调谐,这极大限制了其在精密光谱测量、下一代光通讯领域的发展和应用。考虑到单原子碳链可作为纳米发光材料,我们提出了通过机械拉伸单原子碳链,实现可调谐纳米光电子器件的方案。为此,我们系统地研究了在拉伸情况下,单原子碳链的结构、电学和光学特性的变化。结果表明在线性弹性区内(-5%-10%),拉伸单原子碳链,其直接带隙半导体特性和光学吸收特性没有发生改变,只是随拉伸量的增加,能隙从1.58eV连续增加到3.86eV;吸收峰的峰位发生蓝移。在此基础上,我们设计出了一个实验上有望实现的“单原子碳链—石墨烯”结构的纳米发光器件雏形,研究表明该器件可承受的最大拉伸量为9%,且在此拉伸范围内,可实现器件的输出波长从345nm连续变化到561nm。2.氚作为核聚变中重要的燃料,其贮存和运输成为核聚变技术研究中的关键问题。目前,金属氚化物是高效贮存氚的主要方式。在这类材料中,氘衰变产生的氦会使材料发生“氦脆”现象,导致材料失效。事实上,这也是核反应堆结构材料设计面临的问题。如何抑制氦泡生长以延长这类材料的使用寿命需要在原子水平上描写氦泡的生长机制,然而,目前大量的理论和实验方面的研究无法清晰地回答这个问题。因此,本文开展了以下研究工作：(1)实际材料是由大量晶粒构成的多晶体,考虑到其内部的晶界相对晶粒所占体积很小,因此研究He泡在晶粒内部的形成过程可以给出其在相应材料中主要的生长机制。为此,本文建立了氦泡在实际材料内部形成和生长的动力学模型,并结合第一性原理计算,给出了氦泡在晶粒内部的成核位置及其生长速率等信息。(2)将(1)中建立的模型应用于研究储氚材料(Ti的氚化物为例)中核泡的形成机制。结果表明：氦在这类材料中,主要会被材料中晶粒内部大的缺陷所捕获并在此处形成氦泡：室温下,氦泡的直径随时间呈t1/3的关系增长,该结果与实验观测一致。本文还系统地研究了三个重要因素(环境温度、扩散势垒和缺陷密度)对氦泡生长的影响,表明环境温度降低至225K或增大扩散势垒到1.1eV或增加缺陷密度,均可有效抑制氦泡在Ti的氚化物中的生长速度,延长这类材料的使用寿命3-4倍。