环境污染和能源短缺是当今社会关注的焦点问题。目前,全球大部分能源供应仍来自于化石燃料,导致了日益严重的环境污染和持续升级的全球气候变化。因此,优化能源结构、提高能源利用率、发展清洁和可再生能源,是满足全球日益增长的能源需求和解决大量化石燃料过度使用所带来环境问题的关键。在过去的几十年里,传统材料性质的瓶颈限制了研发低能耗器件、寻找新能源等方面的探索研究。直到2004年,具有独特物理和光电特性的二维单层石墨烯被成功制备,为新型能源材料的探索开辟了一条新道路。自此,大量具有原子级别厚度的新型二维纳米材料,如过渡金属硫化物、六方氮化硼、黑磷烯、硅烯以及过渡金属碳化物或碳氮化物等陆续被发现并广泛应用于光电器件、光电催化、传感器和储能材料等领域。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,首次系统地研究了三类新型二维半导体纳米材料:单层/双层SnP₃半导体和Penta-X₂Y（X=P,As,Sb;Y=C,Si）体系,探究了它们的力学性质、电子性质及应变响应、光吸收特性、载流子输运性质以及作为光催化剂裂解水制氢的可能性等,本论文的理论研究结果对低功耗光电器件以及光催化裂解水制氢催化剂的相关实验工作具有非常重要的指导意义和参考价值。具体的研究内容与结论如下:1.系统地研究了新型单层和双层SnP₃半导体体系的晶体结构稳定性、电子性质及其应变响应、光吸收特性和载流子输运性质等。研究结果表明,单层和双层SnP₃半导体不仅具有良好的动力学以及热力学稳定性,而且由于二者的剥离能较低（0.57和0.38J/m²）,使它们均可以通过机械剥离的方法从其块体结构制备得到。单层和双层SnP₃半导体是间接带隙半导体,带隙分别为0.72 eV和1.02 eV。通过施加双轴机械应变,单层和双层SnP₃半导体的带隙值展现了良好的可调控性。拉伸应变大于12%和压缩应变小于4%时,单层和双层SnP₃半导体分别实现了从间接半导体向准直接半导体和直接半导体的转变,大大提高了光激发效率。单层SnP₃半导体具有较高的载流子迁移率,是单层GeP₃载流子迁移率的若干倍;同时,双层SnP₃半导体具有超高的空穴迁移率,可以达到10⁴ cm²V^-1s^-1。新型单层和双层SnP₃半导体展现出来的这些优良物理和光电性质使它们在微电子、光电子器件和传感器等领域具有极大的应用前景。2.系统地研究了Penta-X₂C（X=P,As,Sb）体系的机械力学特性、电子性质及其应变响应、光吸收能力以及光生电子和空穴的迁移率等性质,并论证了该体系能否作为光催化剂裂解水制氢。研究结果表明,Penta-X₂C（X=P,As,Sb）的带隙为2.64 eV、2.09 eV和1.35 eV,不仅有利于对可见-紫外光的吸收利用,而且Penta-P₂C和Penta-As₂C的带边位置可以完美地满足光催化裂解水制氢所需的氧化还原电位电势。同时,Penta-X₂C（X=P,As,Sb）体系的光生电子和空穴的迁移率高达10³¹0⁵ cm²V^-1s^-1,且具有很强的各向异性,可以极大地降低光生电子空穴对的复合率,从而提高光催化效率。此外,Penta-X₂C（X=P,As,Sb）体系展现了良好的力学性能,比如相对较小的杨氏模量、较大的临界应变点和罕见负泊松比等。因此,Penta-X₂C（X=P,As,Sb）体系不仅是一种很有前途的光催化裂解水制氢的二维光催化剂材料,而且在微电子、光电子器件以及纳米机械学等应用领域也极具吸引力。3.系统地论证了Penta-X₂Si（X=P,As,Sb）体系作为光催化剂裂解水制氢的可能性。研究结果表明,相对于Penta-X₂C（X=P,As,Sb）半导体体系中只有Penta-P₂C和Penta-As₂C适合作为光催化剂而言,Penta-X₂Si（X=P,As,Sb）体系不仅都具有合适的带隙宽度,分别为2.69 eV、2.37 eV和2.03 eV,而且它们的带边位置均可以完美地满足光催化裂解水制氢所需氧化还原反应电位的要求。Penta-X₂Si（X=P,As,Sb）体系对可见-紫外光展现出良好的吸收性能,吸收系数可达10⁵ cm^-1。更重要的是,Penta-X₂Si（X=P,As,Sb）体系具有超高的光生电子和空穴迁移率,载流子迁移率高达10³ cm²V^-1s^-1。此外,Penta-X₂Si（X=P,As,Sb）体系具有较强的各向异性,进而使光生电子和空穴的复合率大大降低,可有效提高光催化效率。因此,Penta-X₂Si（X=P,As,Sb）体系不仅可以作为光催化裂解水制氢的候选光催化剂,而且在光电子器件、传感器以及纳米机械学等领域极具应用前景。