电荷和电磁场之间的相互作用在许多新的设备和材料中发挥着至关重要的作用。在实际纳米尺度器件时,需要从原子角度出发考虑量子效应,导致计算成本的增加,使得计算局限于模拟系统中的一小部分。对于一般的半导体器件,模拟一个完整的系统,常用麦克斯韦方程组和漂移扩散方程组来描述;在模拟纳米尺度的器件时,这种方法无法反映量子效应和原子细节,因此引入一种将量子力学(QM)和电磁学(EM)结合起来的混合模拟方法——量子力学/电磁学方法(QM/EM),研究纳米尺度器件的含时输运特性。本文的研究内容主要围绕计算方法,并结合应用,从两个方面进行阐述。其一,给出量子电磁混合模拟仿真的计算方法。利用标量电位和矢量磁位代替电场与磁场在时域中集成麦克斯韦方程。采用含时密度泛函紧束缚方法求解运动方程,对量子力学区域的电子动力学进行模拟。当电磁波穿透量子力学区域时,整个系统可以用麦克斯韦方程统一地确定区域内的场分布,同时结合漂移扩散方程对系统的电荷输运进行描述。将电磁区域的瞬态势分布作为量子区域模拟的边界条件,同时将量子区域计算出的电流代入电磁区域的麦克斯韦方程组中。这样,不同时间步长和空间尺度的电荷分布、电流密度和电位都在统一的计算框架内集成。其中,针对半导体器件,在电磁区域中加入漂移扩散模型,采用隐式的有限体积法求解;量子区域采用经典四阶龙格-库塔方法对运动方程进行离散,结合格林函数和微扰近似方法求解。将QM/EM方法应用于基于准一维的碳纳米管和二维碳基纳米带材料构建的纳米尺度器件中,可以给出器件在工作时的电流随时间响应曲线,从而对于器件的输运性质进行分析。其二,从数值求解的角度对QM/EM方法进行优化。显式方法求解量子区域时,通过选取较小的时间步,将非线性问题近似为线性问题求解。这种方法节省了量子区域计算的时间,但是在含时QM/EM框架中,电磁区域的半导体输运模拟同样为非线性问题,因此可将量子和电磁计算统一为隐式求解。在隐式计算量子区域时,引入自洽场方法,将运动方程与泊松方程进行自洽迭代求解,从而与电磁区域计算的时间离散统一起来。这一方法变更的优点在于,对于需要在时间上同步计算的量子电磁耦合模型,可将两个区域的时间步同时放大,虽然量子区域需要考虑自洽迭代,但电磁区域的计算时间可以显著减少,总体计算步数变少,计算时间也进一步缩短,对于扩大计算体系有很大帮助。在此计算框架的基础上,进一步研究碳纳米管缺陷的含时输运特性。QM/EM将宏观尺度和微观尺度结合起来,为研究纳米尺度下电子器件的动态响应提供了一种计算框架。在对QM/EM方法的理论和计算不断优化中,期望可以将该方法应用于更广泛的真实的电子器件研究中,为纳米尺度器件的制备提供一种预测和参考。