以石墨烯、硫化钼为代表的低维纳米材料,由于具有丰富的结构、良好的稳定性和优异的物理化学性质,在电子、光电子器件、传感器和能源材料等领域展现了巨大的应用前景,是当前物理、化学、材料科学等众多领域的研究热点。但是任何材料的生长都无法避免缺陷的引入,同时缺陷对于材料的实际应用是必不可少的。为了实现器件的功能化以及性质的精确调控,我们需要深入研究衬底、表面和界面处的缺陷对二维材料电子性质的影响与对应的物理化学机制。本论文基于第一性原理密度泛函理论方法,研究了一种含缺陷的复杂表面上计算吸附能分布的多尺度模拟方法、二硫化钼表面空位缺陷对其电子输运和光学性质的调控机理以及石墨烯/二硫化钼及双层二硫化钼的电子结构随层间转动的依赖关系。主要研究内容包括以下几个方面：1)含缺陷的复杂表面上计算吸附能分布的多尺度方法。化学气相沉积法制备的石墨烯的质量与其初始成核过程密切相关。为了理论研究衬底位错与晶界对石墨烯生长成核的影响,我们需要模拟表面复杂的大型原子体系,而这是第一性原理计算难以解决的。为此,我们发展了一种第一性原理和分子力场相结合的多尺度模拟方法来计算这种非均匀应变表面的局域性质分布。这一方法的主体思想是利用原子应变的概念作为桥梁来关联不同尺度的计算,将第一性原理无法直接处理的大尺寸缺陷表面转化为相对简单的系列抽样计算和表面局域几何结构分析,从而得到了第一性原理精度上的表面吸附能分布图像。该方法还可推广到其他非均匀表面如弯曲或皱褶体系的各种局域性质的描述。基于这一多尺度方法,我们发现,位错或晶界缺陷核心位置可以将表面C原子的吸附能提升约1eV。在1000K的反应温度下,靠近和远离缺陷核心区域之间的碳原子浓度之比可达到104数量级,从而揭示了衬底缺陷对表面扩散原子极强的俘获作用,阐明了多晶金属衬底不适合CVD生长高质量石墨烯的原因。2)二硫化钼空位缺陷对其电子和光学性质的影响。实验上单层MoS2晶体管的迁移率比理论值低1-2个数量级。针对这一问题,通过第一性原理计算与实验的有机结合,我们提出了缺陷局域态主导的电子跃迁输运机制：硫空位缺陷在MoS2禁带中引入非常局域的缺陷态,电子很容易被局限在这些缺陷态上,导致电子间的输运为局域态之间的跃迁,大大降低了器件迁移率。这一模型成功阐明了硫化钼低迁移率和本征n型掺杂的物理根源。我们还提出了通过常温硫醇化学表面钝化的方法来修复MoS2中硫空位缺陷来实现硫化钼本征电导以及通过缺陷工程与化学成键的方法来实现硫化钼光学性能大幅提升的理论设想,这一工作为提升材料的光电性能提供了一个全新思路。3)石墨烯/二硫化钼异质结和双层二硫化钼电子性质随层间转动的依赖关系。垂直堆叠的范德华异质节具有新颖的结构和性质,但是其层间转动对性质的影响仍不清楚。我们研究了有转角的石墨烯/二硫化钼异质双层和双层二硫化钼的电子性质。结果显示,层间转动对Gr/MoS2和MoS2/MoS2的电子结构有明显的调制作用。不同转角的Gr/MoS2的能带结构相互间差异很大,这主要是由层间转动诱导的晶格应变以及MoS2自身能带对晶格应变的敏感依赖导致的。单纯的层间转动所带来的影响几乎可以忽略。此外通过应变或转角可以有效调节石墨烯狄拉克锥相对于MoS2导带底的位置,从而有利于MoS2的掺杂。对于有转角的双层MoS2,其能带结构相比于AB堆叠结构有明显差异,这是由于减弱的层间耦合作用和布里渊区折叠所导致的。这些结果表明,层间转动是调控二硫化钼或其他过渡金属硫族化合物堆叠结构的性质和功能的有效途径。