随着电子产品日益向轻薄和智能化的方向发展,对集成度的要求以及对各种电子元器件的微型化要求也相应地提高,纳米材料具有优异的光、电、磁、力学等性质,成为构建功能器件的理想基元。其中,低维碳纳米结构如石墨烯、碳纳米管等在集成电路方面具有良好的应用前景,成为未来计算处理器件的理想候选材料。但是,低维碳材料作为电子器件材料存在诸多缺点,例如,石墨烯具有零带隙性质、碳纳米管的电子性质随手性变化等,制约了该材料的实际应用。硼元素和磷元素在元素周期表中与碳元素相近邻,有望克服碳纳米材料的不足并取代碳纳米材料而在未来电子器件的设计和应用中发挥重要作用。实验和理论均已证明二维硼烯、磷烯以及一维硼纳米管在功能电子器件领域内具有重要的潜在应用价值,但是受实验技术等的限制,对这些硼/磷基纳米材料的结构、电子输运性质的内在联系认识不够,亟需进一步研究调控硼/磷基纳米材料电子性质的方法并满足不同领域的功能电子器件的需求。鉴于此,本文基于第一性原理,将密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）相结合,研究了一系列基于硼/磷元素的低维纳米材料的电子结构,发现了硼/磷基纳米材料的许多特殊性能:如场效应晶体管（FET）特性、负微分电阻（NDR）效应、整流特性等。揭示了原子结构与电子输运性质两者间内在的联系,提出了多种调控纳米材料电子输运性质的结构设计手段,在理论方面为多功能电子器件的设计提供了指导。本文的主要研究内容及结果如下:（1）设计了一系列基于硼元素的纳米结构,包括六边形中心硼原子凹陷的硼纳米管,不同横截面形状、不同手性的砷化硼（BAs）纳米管,并研究了上述几种硼基纳米管器件的电子输运性质。研究发现,对于直径较小的扶手椅型α-硼纳米管,由于硼原子（B 2s22p1）特殊的缺电子性,通过六边形中心处硼原子的凹陷设计能够使电子离域,弥补缺电子性的不足,提高硼纳米管结构的稳定性。此外,硼原子凹陷变形后导致具有扶手椅型手性的α-硼纳米管的电子性质发生了独特的金属-半导体转变,这一发现有望弥补碳纳米管作为电子器件材料所存在的电子结构随手性变化的缺点,使所制备的纳米管器件具有单一类型的电子性质。本研究中提出的截面形状不同的BAs纳米管在理论上是稳定的,且具有与手性无关的半导体电子性质,同样克服了碳纳米管存在的电子结构具有手性依赖性的缺点。这归因于无论何种手性、形状,BAs纳米管最高占据价带（HOVB）轨道的电子都分布在砷原子上,而最低未占据导带（LUCB）轨道的电子位于硼原子上,分别控制着费米能级以下和以上的透射峰,从而导致相似的电子输运性质。另外,圆形BAs纳米管内封装水（H2O）分子后,LUCB穿过费米能级,导致器件的电子输运曲线中显示出独特的NDR现象和金属-半导体转变行为,这一新颖的特性证明圆形BAs纳米管器件可以应用于气体传感器领域。（2）基于磷元素,设计了碳（C）、氧（O）原子掺杂的黑磷纳米管并构建了黑磷烯、蓝磷烯分别与石墨烯、硅烯、锗烯依靠堆垛方式而成的双层范德瓦尔斯异质结,计算了其电子性质。发现经过C、O原子掺杂后的黑磷纳米管,电子被吸引到C、O原子周围,能够有效调控黑磷纳米管的电子性质,使其产生不同的导电特性,并表现出不同程度的NDR特性,在振荡电路领域有重要应用潜能。研究还发现,由于C原子和P原子之间的弱杂化,在黑磷烯/石墨烯、蓝磷烯/石墨烯双层异质结中保留了石墨烯的狄拉克（Dirac）点。而P原子与Si、Ge原子的杂化作用较强,导致黑磷烯/硅（锗）烯、蓝磷烯/硅（锗）烯异质结中硅烯、锗烯的Dirac点消失,取而代之的是在费米能级附近产生了很小的能隙。研究表明,通过与二维材料依靠范德瓦尔斯作用堆垛构建成双层异质结,得到电子结构多样的双层磷基异质结,能够满足不同元器件的需求。（3）考虑到黑磷的生物相容性,设计了磷烯纳米间隙器件,并结合神经递质、氨基酸等生物小分子,以探究该器件在生物小分子探测领域的潜在应用价值。研究发现,磷烯纳米间隙器件捕捉生物小分子后产生不同的电子输运性质,该性质可应用于生物分子探测领域。尤其是乙酰胆碱（ACh）被捕捉后在低偏压（1.1 V）下产生一个大小为600 nA的独特电流峰,而其它神经递质没有这一信号,因此能够用于ACh的电信号探测。研究证明,这一独特的电信号来源于ACh中独特的N+（CH3）3-结构。当ACh分解为含有N+（CH3）3-结构的胆碱时,这一独特的电信号依旧存在,但信号电流峰值从600 nA下降到353 nA。因此,电流信号不仅能快速准确地将乙酰胆碱与其它神经递质区分开来,而且能与胆碱等其它类似物质相区别。当用P原子取代N+（CH3）3-结构的N原子后,电信号出现在负偏压范围下,而正偏压范围内不再出现电信号。研究还发现,通过识别磷烯纳米间隙电极间氨基酸的电子输运特性（如电流-电压曲线的不对称性、电流值等）差异,用以区分20种氨基酸,从理论上预言了对肽进行氨基酸测序的可行性。此外,生物分子器件表现出多种多样的整流特性,使其成为生物分子整流器的候选材料。（4）将硼元素和磷元素结合,设计了氢原子或羟基钝化边缘的磷化硼（BP）纳米带、BAs/BP纳米片三明治异质结、BAs/BP双壁同轴纳米管等。并研究了多种形变方式、层间微失准、纳米管旋转导致的BP基纳米材料的电子结构变化。结果显示,对于边缘被氢原子钝化的锯齿型BP纳米带,电子在HOVB和LUCB处分别被吸引到边缘的P和B上,而对于边缘被羟基钝化的锯齿型BP纳米带,电子在HOVB和LUCB处均被吸引到边缘的O上形成π键,从而使得边缘被氢原子钝化后的锯齿型BP纳米带呈现直接带隙半导体性质,而边缘被羟基钝化后的锯齿型BP纳米带呈现间接带隙半导体性质。因此,通过改变边缘钝化的官能团种类来改变BP纳米带的电子结构的可行性很高。此外,拱形、波浪形、桥形等不同的变形方式赋予了羟基钝化的锯齿型BP纳米带不同程度的NDR特性。对于三明治BAs/BP纳米片异质结,层间微失准造成了半导体-金属转变,双层纳米管异质结的内管旋转同样也会导致相似的半导体-金属转变现象。原因是层间微失准错位以后,电子分布在范德瓦尔斯力的作用下得以重排,各个纳米片层都参与了异质结中电子的输运,导致电流显著增长。总之,以上调控硼/磷纳米材料电子结构的方法,可以扩展到类似的低维材料的电子结构调控领域,为制备功能化纳米电子器件以及调控其电子性质提供了理论依据。对于探究低维材料的制备及应用、设计多功能电子器件、促进低维材料在集成电路的应用具有重要作用。