石墨烷（Graphane）是一种仅含sp~3杂化碳原子且完全饱和的环状二维材料,根据它不同的结构类型,可将其分为船型石墨烷（Boat graphane）、椅型石墨烷（Chair graphane）和镫形石墨烷（Stirrup graphane）。石墨烷的三种结构都具有共轭度高、比表面积大、无顺反异构且载流子迁移率高的特点。此外,已有计算结果表明这三种结构的石墨烷在光电子学、能源储存等领域的应用有着巨大的潜力,因此石墨烷的研究进展受到了广泛关注。当前研究表明,船型、椅型和镫形石墨烷均属于宽带隙半导体,而石墨烷较大的带隙限制了它在电子器件和光学材料等领域的应用。因此,探索降低石墨烷带隙的方法是提高它们应用价值的有效途径。本文采用CASTEP程序包对船型、椅型和镫形石墨烷进行几何优化,首先通过结合能和声子谱对这三种石墨烷的热学稳定性和力学稳定性进行了验证,然后对其晶格常数、布居数等进行计算。其次,本文深入分析了三种石墨烷的电子结构、力学性质、光学性质、热学性质,以及应变对船型、椅型和镫形石墨烷带隙的调控作用。同时,经研究证明,类似石墨烷的二维材料在经过硼、氮等元素的掺杂后能更好地调控其电子结构和物理性能,并可以拓宽在太阳能电池、储能、传感器等领域的应用范围。这也说明在石墨烷中掺杂其它元素后,其电子、光学等性能可以得到有效改善。虽然石墨烷的元素调控研究已取得一定进展,但硼原子和氮原子对其改性后的结构性能还尚不明确,因此利用硼氮元素调控二维材料是当前亟待研究的方向之一。三种石墨烷的电子结构计算表明:船型、镫形和椅型石墨烷的带隙分别为3.131 e V、3.063 e V和3.182 e V。此外,可以观察到三种石墨烷的导带最小值与价带最大值在费米能级的同一高对称点上,说明三者都是直接带隙半导体,这一结果与其他理论计算及实验结果都有较高的吻合性。随后,本文结合吸收谱、反射率、折射率、消光系数、介电函数和损失函数对三种石墨烷的光学性质进行了进一步研究。结果表明:三者的反射率均在0.1到0.3范围内,可作为吸波材料进行使用;三种石墨烷在可见光范围内对光子吸收不敏感,而在紫外光范围内对光子的吸收较为活跃。同时,弹性常数计算结果表明三种石墨烷的结构均呈现出各向异性的特征,而各向异性程度最大的是船型石墨烷,其次是镫形石墨烷,最弱的为椅型石墨烷。其次,通过对热学性质的研究发现:三种石墨烷的最小热导率均较小,表明其具有杰出的隔热性能,由于热导率与带隙呈正相关,因此带隙最大的椅型石墨烷也具有最大的导热系数。针对应变对带隙的敏感性,本文探究了不同拉伸、压缩应变对三种石墨烷电子结构的影响机制。研究基于第一性原理中的密度泛函理论,系统地讨论了应变对三种不同结构石墨烷的调控作用。结果表明:在拉伸应变条件下,可以发现三种石墨烷的带隙均随应变强度的增加呈线性增长趋势。其次,当拉伸应变达到10%时,船型、椅型和镫形石墨烷的带隙可分别达到3.754 e V、3.278 e V和3.685 e V。而在压缩应变的作用下,三种石墨烷的带隙均随压缩强度的增加而逐渐减小,当压缩强度达到10%时,船型、椅型和镫形石墨烷的带隙分别降低至1.344 e V、1.643 e V和1.297 e V。三种石墨烷的带隙变化随应变强度的改变呈现稳定的变化趋势,这一结果有助于针对性地对石墨烷带隙进行调控,以满足实际应用的需求。此外,当施加的拉伸或压缩应变值超过了石墨烷的最大应变值（10%）后,可以观察到三种石墨烷的晶体结构均会被破坏。研究表明,元素调控是对材料进行化学改性的有效途径之一,而单层的六边形氮化硼与石墨烷在结构上十分相似,因此本文用硼、氮元素替换三种石墨烷结构中的部分碳元素,设计出含有硼、碳、氮三种元素的新型石墨烷结构（BCN型）。将新模型以能量最低原则进行几何优化后,船型、椅型和镫形BCN型石墨烷结构都呈现最稳定的状态。此外,本文在储氢性能方面的研究中发现硼、氮元素的加入可以提高石墨烷对氢分子的吸附性能。其中,船型BCN型石墨烷最多能吸附8个氢分子,椅型结构最多能吸附10个氢分子,而镫形结构最多仅能吸附4个氢分子,这一研究结果表明石墨烷在储氢领域也具有较大应用潜力。本文从原子尺度对二维材料石墨烷的电子结构、光学性质及热力学性能进行了计算,揭示了不同拉伸、压缩应变对带隙调控作用的影响机制,设计了硼、氮元素调控后具有优异储氢性能的新型BCN结构,这为材料结构的工程应用提供了科学的指导依据,有助于推动相关工程领域的技术研发。