随着科学技术的快速发展,人们对电子器件的可靠性和集成度要求越来越高,基于硅工艺的半导体器件和集成电路已不能满足其发展要求。为了提升多功能集成器件的集成度和运行速度,功能电子器件逐渐向微型化发展,分子电子学领域已成为器件微型化发展的必然趋势。近年来,碳的同素异形体如石墨烯、碳纳米管和富勒烯等,因其优异的力学、热学和电输运等性能,使其在新型电子、能源和复合材料等众多领域表现出巨大的应用潜力,并且在分子电子学领域备受关注。Carbyne（卡拜）链及其衍生物碳[18]环(cyclo[18]carbon,C18)的成功制备为碳基纳米器件的设计提供了新机遇。然而,关于carbyne链和C18的研究仍存在一些关键的科学问题需要解决,比如:应变虽然能有效调控carbyne链的电子和热学性质,但是其化学键性质和热容变化的物理机制还有待进一步阐明。另外,C18在分子器件领域的研究还处于起步阶段,关于外磁场和转角对其电输运性质的调控机理尚不明确。为了探索应变对carbyne链化学键性质和热容的影响,实现以C18分子为核心的具有双自旋过滤效应、负微分电阻效应和双构型开关效应的多功能集成型器件,我们以carbyne链及其衍生物C18为研究对象,基于密度泛函的第一性原理计算方法,研究了应变、磁场及转角对体系电子、热容和电输运性质的影响。研究成果如下:1.研究了应变对carbyne链能带结构和热容的调控作用,发现应变可以通过影响carbyne链的化学键性质和空间对称性达到改变其电子结构和热容的目的。当应变为-16%时,carbyne链的化学键性质发生了显著的变化,单三键附近电荷密度的转移使carbyne链由键长交替结构变为键重复结构,且由半导体转变为金属。另外,在轴向拉伸应变作用下,carbyne链的声子振动频率也会发生明显的改变,导致高温热容增加。2.构建了一种全新的具有负微分电阻效应、自旋过滤效应和整流效应的多功能分子集成器件,揭示了C18与ZGNR电极之间耦合强度变化的物理机制。研究结果表明,在ZGNR电极中设置不同的磁配置可以调控自旋电子的输运态,使器件表现出极化率高达100%的双自旋过滤效应。另外,由于偏压对分子能级与电极之间匹配度的调控作用,体系表现出整流效应和负微分电阻效应。3.探索了转角对链环组合分子器件电输运性质的调控作用,发现在C18与电极之间接入金属碳链前后分子器件的输运性质大不相同。金属碳链的引入降低了C18分子与电极之间的耦合强度,旋转C18可以引起分子能级与电极费米能级之间的共振隧穿效应,从而实现链环组合分子器件强的开关效应,开关比高达2737,远远强于单个苯环分子器件。