石墨烯和碳纳米管是量子低维结构器件中具有巨大的发展前景和潜力的两种碳材料,是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。近年来,石墨烯和碳纳米管量子器件已经吸引了国际科学界的广泛关注,许多重要的基础理论问题和器件的工作机理等正有待深入地研究。本论文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对一系列有限尺寸的碳纳米管和石墨烯以及基于他们的分子器件的电输运性质进行了系统研究,由于尺寸效应的限制,在我们研究的所有分子结体系中均观察到了明显的非线性电流和量子化电导特征,器件的导电过程为共振隧穿过程。主要研究内容和结论如下:　　 1.针对石墨烯量子结构器件,通过电极与分子之间的相互作用实现石墨烯片的结构弯曲,进一步调控器件的电输运性能。对电极与中央分子间相互作用对石墨烯片分子结器件几何结构和输运性质的影响进行了系统研究。通过固定源-漏电极间距离,发现随着电压的加入,石墨烯片呈现柱面弯曲。当电极间距离不断减小时,弯曲曲率不断减小而形变能不断增大。器件的电流-电压曲线具有几乎相同的阀值,均出现在态密度和透射系数的第一个峰值位置,当源-漏极偏压大于等于5.5V时,电流随着电极间距离的增加而线性减小。利用分子与电极之间的相互作用对器件电流的输运过程有强烈影响的特点,超小尺寸石墨烯片在分子探针方面有一定的应用价值;　　 2.系统研究了带边修饰对有限尺寸石墨烯片的电子结构和器件输运性质的影响。结果表明:石墨烯片带边碳原子的截止类型对其电输运性质有一定的影响,两个ZZ体系的HOMO和LUMO分子轨道局域在分子-电极的交界面附近。当施主-受主对作为与电极的连接单元对,施主-受主对态密度与Au原子态密度的耦合作用使体系费米能级附近的态密度发生劈裂,碳、氮和氧原子都对前线分子轨道态密度有一定的贡献,与纯H原子带边修饰的结果相比较,施主-受主对的引入可以使体系的电流/电导有数量级的提高,这为实验上通过功能化修饰调控石墨烯片和器件的性能提供了一种有效的途径和方法;　　 3.揭示了带边修饰石墨烯片的电子结构和器件输运性质随石墨烯片尺寸变化的规律。结果表明随着石墨烯片尺寸的不断增加,H-H和A-D体系的能隙值均呈现指数减小。分别沿着两个带边方向增加石墨烯片的尺寸,体系的电子透射能力不断减小,散射通道数目不断减少。通过分析影响透射系数的三个关键参数,我们得出电极与中央散射区间的相互作用能与末端位置波函数投影的尺寸依赖性共同导致了体系电导和透射系数随石墨烯片尺寸的增加而减小,对比H-H和A-D两种不同的带边修饰,我们得到A-D基团的引入改变石墨烯片的对称性,同时保持了体系载流子的平衡分布,A-D对的引入使体系的电流和电导显著增强,并且减缓了器件电导随石墨烯片尺寸增加而减小的效应,是一种很好的带边功能化修饰方法;　　 4.针对碳纳米管量子结构器件,研究了管口氢钝化类型对碳纳米管体系电子结构和器件电输运性质的影响。计算结果发现,随着碳管长度的不断增加,三种管口氢钝化体系的LUMO-HOMO能隙均出现明显的减小趋势,同时伴随着一定能振荡现象。随着管口氢钝化浓度的增加,体系的电流/电导出现能隙增大的现象,同时其强度明显下降。碳纳米管的有限长度引入的量子化限制效应、弯曲程度和管口结构形变引入的管壁和管口处原子中载流子的sp2-sp3杂化效应是引起体系产生带隙的几个主要因素。管口氢钝化类型和浓度,影响管口处驹准自由载流子的浓度和分布的同时,对碳管和电极之间的相互作用有一定的影响,而且管口氢原子的饱和效应会引起体系的sp3-sp2杂化,从而改变和调制体系的能隙和电导;　　 5.揭示了管口不同氢钝化类型碳纳米管量子结构器件中的尺寸效应。在金属性和半导体性碳缡米管中,均观察到了透射系数随碳管长度的增加而减小的趋势,即随着碳管长度的不断增加,体系的导电通道数目减少,导电能力不断降低。随着碳纳米管体系管口氢钝化浓度的不断增加,可被用作分子导电通道的分子轨道数目减少。碳纳米管电子结构和电子输运性质等对碳管长度,手性,管口钝化类型等的依赖性,为实验上提供了一种调节和控制有限尺寸碳管电子结构和器件电子输运性质的有效方法和途径;　　 6.进一步研究了其他管口截止类型对碳纳米管量子结构器件的电输运性质的影响。对B、S和Se三种管口修饰类型的碳纳米管扩展分子体系,分别在源漏电极距离为1.406,1.366,1.266nm时体系的总能最低,体系最稳定。几何结构优化结果表明,对于B-B体系,管口的B原子向管壁内侧收缩,最近邻B原子在管口处形成B五边形结构,而S-S和Se-Se体系,S/Se原子向管壁外侧扩张,在管口处形成发散状管口。在无外加偏压和较低偏压下,能量较低的分子轨道处于“打开”状态,而在较高的源.漏极偏压下,处于较高能量处的分子轨道也被“打开”,可以作为载流子的散射通道。对比三种管口修饰类型体系的透射系数,我们得出,对于S-S和Se-Se体系,透射系数的峰位几乎相同,而峰的强度有一些差异,而B-B体系则与另外两个体系的透射系数有显著的不同。说明了三个体系的导电性差异。