基于第VI主族元素设计的纳米材料和器件是自旋电子学的未来重要发展方向之一。本文通过第一性原理计算,以二维材料的设计为主线,以材料的电子性质及调控为主要研究方向,致力于发掘并设计无耗散、无有效质量的狄拉克材料和其它性能优异的半导体材料。首先,通过使用第一性原理计算,设计并提出了具有许多新颖特性的SeTe单层作为二维材料候选者。研究发现,具有方形晶格的SeTe单层在费米能级附近表现出各向异性的能量色散,以及与强自旋轨道耦合效应和反演不对称性有关的Rashba自旋劈裂效应,这些因素导致了狄拉克半金属态。同时通过应力调控,发现单层SeTe薄膜可以在仅1%的拉伸应变下实现拓扑相变,其突出特征表现为Z₂不变量等于1和螺旋边缘状态。我们的研究表明,单层SeTe薄膜在新型电子材料和自旋电子学应用等方面具有广泛的前景。其次,我们设计并研究了具有各向异性狄拉克锥的二维B₂Se薄膜的两种不同构型。经过完全优化的B₂Se作为稀有的二维纯平面型蜂窝结构,通过从头算分子动力学模拟,其结构在高达1000K的高温下保持良好的完整性,杨氏模量和泊松比显示出较高的各向异性,费米速度为10⁶ m/s,与石墨烯的费米速度的数量级相同。此外,我们利用波函数和结构对称性分析了狄拉克锥的存在的合理性。这项工作为寻找指向性、无有效质量和无耗散的量子器件提供了新颖的候选对象。受到最近在Al（111）衬底上成功合成蜂窝状硼烯结构实验进展的启发,我们通过向硼烯结构的桥位上添加硒原子,设计了一种具有纯平面构型的新型二维蜂窝状B₂Se结构。硒原子与硼原子间的共价键使得结构更加稳定。我们系统地研究了它的结构以及性质,分子动力学模拟表明该结构在液氮温度下没有发生结构坍塌和原子重构,二维弹性常数满足Born–Huang判据并且表现出高度的各向异性。同时,二维蜂窝状B₂Se薄膜在费米面附近具有通过电子带和空穴带交叉形成的节点线,该节点线受镜面对称性保护。通过对材料进行双轴应变调控,发现应力不会打破镜面对称性从而对节点线造成破坏。这项工作不仅为拓展新的各向异性电子输运量子器件提供了新的研究思路,还为研究与结构对称性相关的节点线材料提供了理论思路。最近实验上已成功制备出β-GeSe薄膜材料,为了拓展并发现更多具有优异性质的半导体。我们设计了单层β-SnS结构,并针对它的结构、电子性质和光学性质进行了第一性原理计算。单层β-SnS作为一种带隙宽度为1.87 eV的间接带隙半导体,其费米能级附近的能带主要由S原子和Sn原子的p轨道成分支配。单层β-SnS可以通过晶格畸变由一个稳定相B向另一个稳定相B’转换,材料中存在极化强度为1.1×10^-1010 C/m的自发极化,合适的能量势垒（5.437 meV）使得材料的铁电性得以应用。通过双轴应变调控可以实现单层β-SnS的带隙控制以及各向异性电子输运调控。同时,单层β-SnS在可见光和紫外光范围内表现出各向异性的光吸收性质。这项工作为研究者们探索具备更多可调谐性质的半导体材料提供了优质候选者,在未来光电器件、铁电器件研究等领域中应用前景十分广阔。