随着电子器件不断微型化,电子学领域的发展面临着越来越严峻的挑战。开发性质优于传统硅基半导体材料的下一代新型低维半导体材料迫在眉睫。碳基纳米材料具有较强的机械强度和较高的载流子迁移率等独特的物理化学性质,在电子器件等领域具有广阔的应用前景。已有的碳基材料如石墨烯,碳纳米管等在碳基电子的发展中都面临着不同的技术挑战。最近,具有碳氮有序结构的二维C3N的成功合成为碳基纳米材料在纳米光电子器件方面的应用提供了新的选择。C3N具有无孔洞六角蜂窝结构,本征带隙约为1.2 e V,弥补了石墨烯无带隙的缺憾,器件开关比可达到108,有望成为下一代碳基电子器件的理想材料。相比于目前研究已经比较成熟的石墨烯,C3N的研究起步较晚,目前理论和实验的研究都比较匮乏。本论文运用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,围绕双层C3N热力学稳定性、电子性质、输运性质等进行研究和调控,结果表明双层C3N在电子器件等领域具有巨大的应用潜力。纳米电子器件的实际应用需要原子级平整的介电层,本论文研究发现六方氮化硼（h-BN）可以作为双层C3N器件的理想介电绝缘层。将h-BN应用到实际器件中需要制备边界手性可控的高质量h-BN。现阶段h-BN制备技术已经有了很大进展,而h-BN边界的可控制备或合成依然面临很大的挑战。本论文对氢气环境下过渡金属镍（Ni）团簇催化刻蚀h-BN的反应机理进行了深入的理论研究,并与实验合作实现了h-BN边界的可控制备。研究内容和主要结论如下:1.揭示了双层C3N丰富的电子结构,大尺度的可调带隙,较高的载流子迁移率,及其在碳基纳米电子器件领域的潜在应用。本研究表明,可以通过控制堆垛方式实现双层C3N从半导体到金属性的转变。与具有1.2 e V带隙的单层C3N相比,双层结构的带隙大致可以分为三种:1)AA和AA’堆垛结构的带隙接近金属,2)AB和AB’堆垛结构的带隙比单层减少将近30%,3)具有摩尔堆垛的双层结构具有和单层结构相近的带隙。基于紧束缚模型和密度泛函的理论计算,本研究揭示了引起这种带隙变化的主要原因是上层和下层C3N之间pz轨道发生耦合,导致费米能级附近的能带劈裂。在双层之间相互作用势差别不大的前提下,价带顶和导带底波函数重叠的数目决定了能带劈裂的大小,进而影响带隙。AA/AA’和AB/AB’结构中波函数重叠的数目存在两倍的关系,带隙劈裂大小也接近两倍关系。而对于具有摩尔条纹的双层旋转结构,上下层结构中的原子基本错开,pz轨道的重叠非常有限,因此带隙和单层相比差距不大。此外,改变层间距可以对AA、AA’、AB和AB’的带隙进行调控,双层之间的距离越小,带隙的变化越大。进一步的研究还发现施加外部电场可以极大地调节AB’堆积的双层结构的带隙。通过计算预测,在1.4 V/nm外加电场下,AB’堆叠的结构带隙下降约0.6 e V,基本可以实现从半导体到金属性的转变。通过与实验团队合作,我们发现理论预测值与实验测量值基本一致,表明双层C3N是理想的碳基纳米电子材料。2.h-BN可以作为双层C3N材料的理想介电绝缘层。通过对AA’和AB’堆垛的双层C3N在h-BN介电层上热力学稳定性、电子结构等性质的研究,表明了AA’和AB’双层C3N可以在h-BN介质上稳定存在,并且双层C3N材料本身优良的电子特性不受h-BN介质的影响。由此说明了h-BN是C3N双层结构的理想绝缘介质。3.提出可通过控制氢气分压实现过渡金属镍对六方氮化硼边界的选择性刻蚀。通过计算不同h-BN边界的稳定性和刻蚀过程中金属催化剂Ni和h-BN边界的相互作用,发现在非常低的氢气分压(1450 K,氢气分压约小于10-2bar)下,Ni在六方氮化硼上可以选择性地刻蚀出锯齿型手性的边界;而在中等氢气分压下(1450K,氢气分压约在10-2～104 bar之间),Ni在六方氮化硼上可以刻蚀出锯齿型和扶手型共存的边界;而在非常高的氢气分压下（1450 K,氢气分压约大于104bar）,Ni催化剂会脱离h-BN而无法实现沿着某一特定手性方向的h-BN刻蚀。理论预测结果与实验结果一致。