ZnO纳米材料具有卓著的光电性能，因而近年来受到了人们的广泛关注。从上世纪中叶，由于ZnO薄膜开始在传感器、变频器和催化剂上日益广泛的应用，其制备也就成为了一个活跃的研究领域。伴随着纳米技术蓬勃发展，过去几十年中，对一维纳米材料的研究一直是纳米科学和纳米技术中的前沿领域。当尺寸逐渐减小的时候，表面体积比增高，体系呈现均匀的单晶结构，其结构生长呈现出方向性特征，这都使得一维纳米材料展现出了不同于块体材料的电子、力学、化学和光学性质。因此，一维纳米材料具有比块体材料更广阔的应用前景，引起了人们极大的研究热情。一维ZnO纳米器件在可见光和紫外光光电子方面都有着很大的应用前景，因而在此基础上，成功的制备出大量的具有不同形态的一维ZnO纳米材料，比如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米针、纳米塔、纳米带、纳米钉、纳米螺旋线、纳米分级结构、纳米梳状结构以及纳米哑铃结构。其合成方法主要有气液固生长机制和激光烧蚀法，层状卷曲机制法，模板法，溶胶凝胶法以及水热法等。管状纳米结构具有多孔性，大的表面体积比等特性，这就使得其可成为染料敏化光伏电池、低维稳定电极、金属离子电池、电化学超级电容、储氢设备、生物传感器、气体传感器以及光催化水分解等应用中的最优选择。目前为止，还没有实验报导一维ZnO单壁纳米管被成功合成，然而大量关于合成ZnO单壁纳米管的可行性的理论预测已被广泛报导。在不考虑两端的情况下，ZnO单壁纳米管可认为是与其六方晶格一致的单片层的ZnO薄膜卷曲而成的圆柱结构。为了进一步描述ZnO单壁纳米管，引入了类似单壁碳纳米管的特征矢量。手性矢量Ch定义为相应两个位置，用一对参数(n，m)来表示，称为单壁纳米管的指数。不同指数的ZnO单壁纳米管的结合能都是负数，这表明ZnO单壁纳米管在理论上是可以存在的。本论文主要研究建立在上述基础上，包括如下三部分内容：首先，研究了偏聚式掺杂铜原子的ZnO单壁纳米管的电子和光学性质。在偏聚掺杂的情况下，发现ZnO单壁纳米管的电子和光学性质为掺杂浓度的函数。随着掺杂浓度的增加，由于导带底下降，能隙逐渐降低，受主杂质能级不断加深且增多，使得电子跃迁变得越来越容易实现。介电常数和折射率随着掺杂浓度升高变化显著，从紫外逐渐红移到可见光区域，最后可到达近红外区域。也就是说，可以通过偏聚掺杂以及调控杂质浓度的方式，来获得不同的波长的光发射性能，从而可实现其在不同范围的应用。其次，研究弥散式掺杂铜原子的ZnO单壁纳米管的电子和光学性质调制。通过各种掺杂的对比研究，构建了一个(Zn4/6Cu2/6O)3/(Zn5/6Cu1/6O)3单壁纳米管超晶格结构，其能隙值为2.16eV，可以实现提高太阳能转化率的目的，同时满足光催化水分解的氧化还原反应的各项指标要求，预测其可成为潜在的可见光水分解催化剂。本研究发现能隙设计与结构相关，其中包括掺杂浓度的变化和内界面的影响。这个新的概念有利于实现半导体能隙的调制，从而实现电学和光学性能的调整以适用于不同的功能性应用。最后，探讨了两种弥散式掺杂方式对ZnO单壁纳米管光电性能的调制作用及其物理机制。第一种方式为，改变掺杂变化的周期单元大小从而实现调制能隙以及光学和电学性质的目的。在周期性变化的纳米管(Zn4/6Cu2/6O)L/(Zn5/6Cu1/6O)L体系中，考虑了随着周期单元L变化的界面和中间层效应对能隙的影响。能隙变化趋势在L=4的情况下出现最小值，其性能接近于导体。S3(L=3)和S5(L=5)两种情况的能隙值相比于未掺杂的初始ZnO单壁纳米管和其他不同周期单元的管状结构也表现出明显的降低趋势。这说明，中间层可以导致剧烈的价带顶上升和导带底下降。也就是说，能隙的大小可以通过合金化构造合适的变化周期而得到调节。第二种方式为，改变掺杂Cu的总浓度和Cu的浓度梯度来调节ZnO单壁纳米管的能隙以及电子和光学性能。在Cu浓度相同的条件下，Eg(g≠0)<Eg(g=0)。在浓度梯度g≠0的情况下，浓度相同时，浓度梯度越小，能隙值也越小。其中，当g=1/6，c=1/12时，Eg值达到最小。当浓度梯度相同时，能隙值Eg随整体掺杂浓度减小而减小。总之，随着掺杂浓度和浓度梯度的改变，能隙值从初始ZnO单壁纳米管的4.5eV可降低到1.95eV。这有效的降低了ZnO单壁纳米管的能隙，可实现其光电性能的有效转变。并且这些性质可以使其成为潜在的光催化和可见光发射器材料。尽管目前ZnO单壁纳米管的制备还具有一定的困难性，然而ZnO单壁纳米管因其优异的光电性能将在下一代电子器件上占据重要位置是值得肯定的。这些小尺寸超薄单壁纳米管的很多性质引出了严峻的技术挑战，但同时也因此产生了其独特的应用性能和前景。一旦能精确控制其合成因素等方面的特性，那么ZnO单壁纳米管的实际应用将指日可待。