石墨烯、氮化硼和过渡金属二硫化物等二维纳米材料以其独特的性质和广泛的应用受到了科学界普遍的关注。二维材料的量子限域效应,高的比表面积和极好的柔韧性展现出其它维度材料难以具备的奇异功能,在电子学和光电学设备方面有广泛应用。借助理论计算手段,人们不仅可以从原子角度去深入理解二维材料的这些新颖特性,而且可以通过预先设计、改造材料结构和检测材料性质辅助实验研究。本文基于第一性原理密度泛函理论,对二硫化钼团簇、二硫化钼/石墨烯异质结、二硫化钼/碳化硅复合物、二硫化钼/氮化硼/石墨烯异质结和二硫化钒/氧化锌复合物进行了系统的物理化学性质研究。通过对这些复合物进行掺杂、施加应变和电场等方法,我们深入研究了它们的结构、电子性质和光学性质的变化,得到的结论有望进一步指导实验。主要内容归纳如下:（1）二硫化钼团簇结构相转变研究:应用第一性原理计算分析一系列过渡金属硫属化合物MX₂团簇的稳定性。MX₂团簇显示出高度相转变,随着尺度和X化学势的减小,从稳定的2H相转化为1T相。此外,在低X化学势环境下,MX₂倾向于形成六边形结构。基于数值分析,我们得到了MX₂团簇的相图,开拓了认识MX₂团簇结构的新视野。（2）二硫化钼/石墨烯异质结的界面对其光催化效果影响的研究:应用第一性原理计算研究二硫化钼/石墨烯,二硫化钼/氮掺杂石墨烯,铌掺杂二硫化钼/氮掺杂石墨烯和二硫化钼/氧化石墨烯异质结的光催化机理。二硫化钼中铌元素的受主掺杂加强了二硫化钼与氮掺杂石墨烯之间的电荷转移,并增强其稳定性。二硫化钼/氮掺杂石墨烯和铌掺杂二硫化钼/氮掺杂石墨烯是有效光催化剂,它们的机制是该异质结中的石墨烯处于缺电子状态利于二硫化钼中光生载流子的传输,进而达到电子和空穴的分离,且在可见光范围内该异质结有较强的光吸收。（3）二硫化钼在单层,双层及块体碳化硅基底上的电子性质研究:通过对二硫化钼与单层、双层碳化硅薄层及碳化硅极化表面厚片复合进行系统的计算研究发现,二硫化钼与单层碳化硅复合物是直接带隙的半导体,呈现II型能带结构,在光催化剂方面有很好的运用前景。二硫化钼与双层碳化硅复合物拥有0.66 eV的直接带隙。二硫化钼与硅终端碳化硅表面的复合物为金属,而二硫化钼与碳终端碳化硅表面的复合物是非直接带隙的半导体。（4）在应变和电场调制下,二硫化钼/氮化硼/石墨烯异质结电子性质变化的研究:实验室已经成功制备了由二硫化钼、氮化硼和石墨烯组成的异质结,并应用于场效应晶体管元件。通过系统的第一性原理计算表明,施加电场增强了层间耦合,并可以线性控制二硫化钼和石墨烯层间的电荷转移,实现可控的掺杂石墨烯。在适度的电场调制下,该异质结的肖特恩势垒高度从0变到0.6 eV。施加应变会减弱异质结的层间耦合,而不会影响材料的电子性质。同时,研究了有缺陷的二硫化钼的材料性质,计算结果表明缺陷不影响应变和电场对该异质结电子结构调节的趋势。（5）二硫化钒与氧化锌复合物场发射效应研究:在外电场作用下,二硫化钒与氧化锌复合物的电子性质发生变化。外电场增强了氧化锌与二硫化钒复合物的稳定性。二硫化钒的硫原子层的电荷积累有利于二维场发射电流。随着电场强度的增加,氧化锌与二硫化钒复合物的功函和离子势线性减小。硫掺杂的氧化锌团簇/二硫化钒复合物更适用于场发射材料。