碳元素及其化合物,已广泛应用于现代工业的各个领域之中。本文将采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术结合第一性原理计算方法,寻找新型碳的同素异形体和碳化物结构,并研究新结构的物理性质。研究和分析了不同体系在不同压力区间稳定结构的力学性质、热力学性质、电子结构和光学性质等,为实验上有效合成以及其他新材料研究提供了理论支撑。我们提出了三种新型碳同素异形体材料:超硬四方C₆₄结构、超硬金属性C₅结构和轻质金属性mC₁₂结构。其中四方C₆₄的维氏硬度可达到60.2 GPa,该结构属于半导体材料,并且具有1.32 eV的准直接带隙。超硬金属性四方碳材料C₅的结构由sp²和sp³碳组成,维氏硬度为58.5 GPa,该结构则显示出了金属性质。sp-sp²杂化的单斜碳同素异形体mC₁₂具有大的体积和小的平衡密度,属于轻质金属性材料,具有很强的力学性质。关于碳化物材料,本文对Ca₂C的压致相变机制的研究表明,从金属相C2/m-Ca₂C转变为半导体相Pnma-Ca₂C发生在7.8 GPa处,其属于一级相变,体积降为26.7%。C2/m-Ca₂C₃仅在0至24 GPa之间具有力学和动力学稳定性,属于准直接带隙半导体。新型四方晶系P4₂/mnm-SiC具有两种稳定结构:Si₈C₄和Si₄C₈,都属于间接带隙半导体材料,且带隙分别为0.74 eV和0.15 eV。XC₆和XC₁₂系列结构（X为元素周期表中除了He,Ne和Ar之外的从H到Ca的所有原子）中具有力学和动力学稳定性的结构为HC₆、NC₆、SC₆、BC₁₂、CC₁₂、PC₁₂、SC₁₂、ClC₁₂和KC₁₂。并且,稳定结构的弹性、声速、德拜温度和电子特性也都作了细致研究。此外,本文还对其他的新型半导体材料做了研究。新型立方超硬材料c-C₃N的维氏硬度为65 GPa,属于间接带隙半导体。并且,还对其力学各向异性和热力学性质做了研究。MoS材料的新结构中发现了Imm2→Pnma→Pm-3m相变序列,其相变压力点分别为5.5 GPa和45.3 GPa,且都属于一级相变,体积降则分别为16.5%和6.2%。Imm2和Pnma相是间接带隙半导体,而Pm-3m相则显示出了金属性质。最后本文系统研究了直接带隙硅晶体D135-Si的光学性质。计算的介电函数虚部表明压力对该结构的光吸收特性影响最小,应变效应则分别沿c、b和a三个方向逐渐增强。基于第一性原理研究的这些新型结构均具有相当不错的综合性能,如果可以在实验上成功制备将具有很广阔的应用前景。相信随着计算技术的不断提升和理论的不断完善,模拟和预测新材料也将取得更好的成果,吸引越来越多的科研工作者参与其中。