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先进材料对于经济可持续发展、环境保护、太阳能利用、医学等人类福祉尤为重要。然而,采用传统方法发掘并合成一种新材料然后应用到市场中往往需要花费数十年时间。加快材料开发进程将对于一个国家在二十一世纪引领国际科技竞争起到至关作用。材料基因组工程的诞生将支持科研人员以尽可能小的代价在最短的时间里开发出有实用价值的功能材料。2004年石墨烯的成功剥离及表征拉开了二维材料研究的序幕,点燃了科学家们对众多类石墨烯二维材料的研究热情。二维材料因其优异性能而备受关注:如石墨烯具有极高的载流子迁移率,且刚性极强;黑磷单层（磷烯）同时具备适中带隙和高载流子迁移率,使得它成为半导体器件的理想选择。然而,现有的二维材料种类有限,且存在的性质缺陷降低了其应用价值。比如,石墨烯为零带隙材料,即便具备高载流子迁移率,也无法应用于电子器件;磷烯稳定性差,容易与水、氧气发生化学反应,导致材料性能严重降低。因此,设计性能优异、稳定性好的新型二维材料迫在眉睫。本论文结合第一性原理计算和全局结构搜索方法,设计了具有丰富化学特性的Au6S2单层、含亲金相互作用的二维AuMX2（M=Al,Ga,In;X=S,Se）单层结构、多功能二维Ti1-xSix（0≤x≤1）单层结构以及具有半金属和室温居里温度特性的二维过渡金属二氢化物。主要研究内容包括以下几方面:（1）二维Au6S2单层的结构预测和性质研究。通过第一性原理计算和全局结构搜索,我们首次理论设计了两类稳定的二维Au6S2单层结构。G-Au6S2单层是能量全局极小构型,可以看成由一系列一维[-S-Au-]n和[-Au4-]n链状结构排列而成,展现出奇特的化学性质。T-Au6S2单层与T-MoS2单层十分相似,可以看成通过将T-MoS2单层中的Mo原子替换成Au6团簇得到。特别值得一提的是,T-Au6S2单层是直接带隙半导体,带隙值为1.48 eV,迁移率超过103 cm2V-1S-1。此外,T-Au6S2单层展现出优异的光学性能,在整个可见光区域对太阳光都有很好的吸收。（2）理论设计含亲金相互作用的二维AuMX2（M=Al,Ga,In;X=S,Se）单层结构。亲金相互作用指的是在含Au的正一价态（AuI）的化合物中非成键的AuI之间的范德瓦尔斯吸引作用。亲金相互作用的强度同氢键作用相当。我们的研究表明亲金相互作用可以作为关键元素来扩大纳米材料设计的结构维度。具体而言,基于全局结构搜索方法和密度泛函理论计算,我们预测了一系列稳定的二维AuMX2（M=Al,Ga,In;X=S,Se）单层结构,其特征在于晶体内的亲金相互作用。所有的二维AuMX2单层都是有中等带隙、高迁移率和优异光学性能的半导体材料。有趣的化学连同新颖的电子性质使得二维AuMX2单层结构在金化学和纳米电子学领域将发挥重要作用。（3）多功能二维Ti1-xSix单层的设计及第一性原理计算研究。硅是地壳层中储量第二丰富的元素,在电子器件中扮演重要角色,而过渡金属钛和硅具备相同的价电子数。因此,它们或许能在不同原子配比下构成功能多样的二维材料。通过全局结构搜索和第一性原理计算,我们设计出三类稳定的Ti1-xSix二维结构:Ti2Si、TiSi2和TiSi4单层。这三类结构均具有很高的动力学和热力学稳定性。Ti2Si单层呈现铁磁性,磁矩高达1.37μB/cell;TiSi2单层可以用作析氢反应催化剂;TiSi4单层在低温超导领域有潜在应用,在适当条件下其超导临界转变温度可达11.7 K。（4）具备半金属和室温居里温度特性的二维过渡金属氢化物。二维半金属是应用于纳米级自旋电子学器件的理想材料。在这一部分,我们理论设计了一系列二维过渡金属二氢化物（MH2;M是过渡金属,M=Sc,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni）单层结构。其中,CoH2和ScH2单层是铁磁金属,而TiH2、VH2、CrH2、FeH2和NiH2是反铁磁半导体。有趣的是,CoH2单层是半金属体系,其自旋过滤为100%,并且有高达3.48 eV的自旋带隙。低浓度空穴掺杂可以使得ScH2单层转变为半金属体系。基于二维海森堡模型的蒙特卡洛模拟表明,CoH2单层的居里温度为339 K,已经超过室温（300 K）。ScH2单层的居里温度亦可高达160 K。二维MH2单层结构的动力学和热力学稳定性已分别通过声子色散计算和从头算分子动力学模拟得到证实。室温半金属性、宽自旋带隙和优异的稳定性使得CoH2单层成为自旋电子学材料的理想选择。二维原子晶体因其特殊的物理和器件应用而被广泛研究。然而,具有可扩展加工性和高性能的二维分子晶体研究仍然非常具有挑战性。实验通过范德瓦尔斯外延方法在石墨烯或氮化硼基底上制备出高质量的二维C8-BTBT分子晶体,并且可以在低温下得到大面积单晶、精确控制厚度直至单层。通过进一步的理论模拟,我们发现由于弱的范德瓦尔斯相互作用,二维C8-BTBT分子晶体在基底表面呈现出薄薄的一层,从而构成了高性能的有机场效应晶体管。该工作提出一类新型的二维有机材料可以用作电子学及光子学方面的应用。