碳纳米管拥有优异的电子、光学、机械等性能,其气体吸附特性在储气、传感、场发射等领域有极大的应用潜力。本文采用第一性原理计算对无缺陷和含缺陷单壁碳纳米管的带帽结构、开口结构以及管壁进行研究,分析其结构、吸附能、功函数、态密度,电荷转移等特性。并在真空系统中进行了与气体吸附相关的场发射实验。得到如下结论:无缺陷的帽端结构显示出半导体性,含缺陷的帽端结构显示出半金属性。氢、氧或者氮的气体分子在缺陷位置化学吸附可以将半金属性转换为半导体性。氧气和氮气可以物理吸附在帽端的单空位缺陷上方,但氢气在缺陷上方的物理吸附是不稳定的。氢分子和原子形式的化学吸附使碳纳米管的功函数下降,而氧分子和原子的化学吸附使功函数上升。氮分子的化学吸附能够阻止氧分子与碳纳米管发生化学吸附,对碳纳米管的缺陷起到保护作用。氮原子的化学吸附可以填补缺陷位置上缺失的碳原子,形成氮掺杂结构,并显著降低碳纳米管的功函数。缺陷在帽端的不同位置会影响碳纳米管的功函数。管壁的缺陷能够提高碳纳米管管束的导电性能。外加电场可以提高气体分子的物理吸附能,影响水分子的吸附姿态,改变氩气的吸附位点。