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近年来,低维纳米结构材料由于其特殊的维度特性和优异的物理性质受到人们广泛的关注。石墨烯是典型的二维材料,其费米能级附近无质量狄拉克费米子在未来纳米电子器件领域有着巨大的应用前景。石墨烯发现后,其他二维材料,例如:硅烯、磷烯、Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、过渡金属硫化物等层状材料等也相继被理论预测或者实验合成。近年来,人们在低维材料的结构稳定性、力学、电学、磁学、光学性质等方面进行了大量的研究,进一步拓展了人们对低维材料的认识,为其实际应用提供了理论基础。相对于三维材料,低维材料的载流子迁移被限制在二维平面内。由于维度特性带来的量子限制,低维材料通常展现出众多不寻常的性质。例如,低维材料超高的比表面积可以实现高密度活性中心位,在空气中极易被氧化或形成缺陷,有利于理解活性中心本质与反应机理的构效关系。一方面,由于氧具有很强的电负性,理想表面的电子会重新排布从而引发材料电子性质的改变;另一方面,缺陷的出现通常会在费米面附近形成缺陷电子态,进而引起氧化态与缺陷能级间的杂化。因此,化学处理和缺陷的形成为实现低维材料电子结构的调控提供了一条有效的途径。此外,低维材料中的拓扑电子性质也备受关注,例如量子自旋霍尔态、量子反常霍尔态、拓扑半金属态、马约拉纳零能模等。拓扑量子态最显著的特征是其非平庸的边缘态,这些非平庸的边缘态受拓扑保护。但是,材料一旦脱离实验室环境,氧化、缺陷、以及它们间的协同相互作用将使系统的拓扑性质发生变化,并由此带来一系列新奇的物理现象。近年来,虽然人们对低维材料的氧化行为进行了一定的研究,但是在氧化导致的拓扑相变、缺陷与氧化间的协同相互作用等问题上的研究仍鲜见报道,这些问题的微观机制还不清楚。因此,系统研究低维材料的氧化机理以及氧化与缺陷的协同相互作用具有重要意义。本文主要的研究内容有:1.研究了量子自旋霍尔绝缘体1T’-WTe2的氧化机理以及氧化诱导的拓扑相变。结合第一性原理计算,我们详细计算了1T’-WTe2的氧化反应路径和反应能量势垒。结果表明,空气中O2和H2O共存是1T’-WTe2表面快速氧化的关键因素。H2O分子的存在可以显著降低O2在1T’-WTe2上的分解能垒,进而提升氧化反应速率。值得注意的是,1T’-WTe2在不同的氧覆盖度下展现出不同的拓扑属性。低氧覆盖度时,氧化使得1T’-WTe2转变为拓扑平庸的绝缘体。随着氧化覆盖度的升高,结构稳定的表面被完全氧化的1T’-WTe2—WTe2O重新转变回量子自旋霍尔绝缘体。该工作为理解氧化诱导的拓扑相变和层状过渡金属二硫化合物材料拓扑性质的化学调控提供了新思路。2.系统研究了拓扑绝缘体Bi2Se3纳米薄膜结构的表面氧化机理与稳定机制。基于第一性原理计算,我们探究了Bi2Se3的多种表面氧化结构及其拓扑性质,找到了能量最低的稳定结构,深入分析了表面氧化对Bi2Se3拓扑表面态的影响。计算结果表明,O原子会从表面迁移到Bi2Se3次表面,与Se原子和Bi原子成键,从而形成能量最低的稳定氧化结构,进而解释了实验现象。通过分析拓扑表面态的电荷分布,发现拓扑表面态始终处于氧化层和非氧化层的Se原子层界面处。稳定氧化结构中的O原子与Se/Bi原子的杂化能级位于远离费米能级的深能级区域。磁性计算表明氧化后Bi2Se3纳米薄膜仍然具有时间反演对称和能带反转。Bi2Se3的拓扑性质具有稳定的抗氧化性质,使得表面氧化后拓扑表面态仍然完整保持在带隙中。我们进一步研究了富氧和缺氧化学环境下表面氧化结构的稳定性,阐明了Bi2Se3在空气中快速氧化机制。这些研究结果对Bi2Se3纳米结构的进一步应用具有重要意义。3.研究了单层砷烯中的Stone-Wales（SW）缺陷和碳原子（C）掺杂缺陷的结构稳定性以及电子性质,并探究了SW缺陷在单层砷烯中的形成过程。通过计算C原子在SW缺陷不同替换位置的结构稳定性,找到了C原子的最佳掺杂位点。电子能带结构计算表明,SW缺陷和C掺杂缺陷会在带隙中形成缺陷能级,有利于形成缺陷电荷态。在此基础上,我们研究了砷烯中一系列可能形成的带电缺陷态。结果表明,带电缺陷态会显著改变砷烯的电子结构。引入缺陷电荷态后,C掺杂的局域磁性消失。通过计算缺陷形成能,发现负价电荷态缺陷的形成能比正价缺陷态的形成能低,结构更稳定。在此基础上,我们进一步研究了SW缺陷对砷烯氧化的影响,发现SW缺陷的存在可以进一步降低氧化势垒,加速砷烯的表面氧化。4.研究了边缘钝化的砷烯纳米带的稳定性和电子结构。通过第一性原理计算,我们详细研究了H-、O-、OH-边缘终端的纳米带边缘钝化行为。结果表明,边缘钝化显著影响砷烯纳米带的电子能带结构。边缘氢化/氧化可以饱和砷烯纳米带边缘悬挂键从而稳定边缘结构。与H-和O-终端相比较,OH-原子团吸附在砷烯纳米带边缘是能量最低的边缘钝化结构。通过计算边缘钝化砷烯纳米带的电子能带结构,发现边缘氧化的砷烯纳米带具有金属性质的边缘态,而边缘氢化的砷烯纳米带则表现为半导体能隙态。此外,我们还研究了具有金属性质边缘态的砷烯纳米带的磁学性质。结果表明,金属性的边缘钝化砷烯纳米带同时展现出铁磁结构边缘态和反铁磁结构边缘态。我们的研究为砷烯纳米带电子器件的设计奠定了理论基础。