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在可持续发展理念的推动下,人们开始致力于各种功能材料的设计与合成,而实验上所合成的材料往往需要理论的精确表征作支撑。本论文在第一性原理的基础上,利用软X射线光谱技术对基于纳米尺度分子、二维材料及表面的三种含碳材料,富勒烯C36分子、二维类石墨相氮化碳（g-C3N4）材料及哒嗪在硅表面上吸附构型的结构与成分进行了研究。本论文主要采用了两种基于核电子激发的软X射线光谱:X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）。这两种具有元素选择性和局域环境敏感性优势的光谱技术,在物质的结构鉴别与成分表征方面发挥着重要的作用。通过比较与不同局域结构相对应的X射线光谱指纹特征,我们可以轻易地将物质所具有的同分异构体,或者在几种可能的吸附模式下所形成的不同吸附构型鉴别出来,为实验的研究提供有力的参考。同时,精确的X射线光谱模拟,能够为实验材料中不同局域结构的精确指认提供理论的参考,为材料功能特性的进一步研究和发展奠定基础。在第一性原理的基础上,本论文从三个方面,富勒烯C36分子六种最稳定同分异构体的结构鉴别、二维g-C3N4材料中复杂成分的精确指认以及哒嗪在Si（100）表面上所可能形成的15种吸附构型的结构表征,呈现了软X射线光谱技术对以上三类材料结构成分的有效鉴别与表征,进一步巩固了X射线光谱技术在基于纳米尺度分子、二维材料及表面的三种不同体系中的有效应用。展示了XPS、XAS两种光谱技术对材料局域结构的不同敏感性,并巩固了用于计算二维材料XPS的组合的“团簇-周期”方法。具体内容及研究结果如下:1.基于软X射线光谱的富勒烯C36六种最稳定同分异构体的理论表征C36分子作为富勒烯家族的一员,是最可能以批量形式被制备的最小富勒烯。8Cs-C36,9C2v-C36,11C2-C36,12C2-C36,14D2d-C36,15D6h-C36是C36十五种同分异构体中最稳定的六种。通过采用XPS、XAS两种光谱技术对这六种同分异构体进行理论的鉴别,我们发现,相对于XPS所展现出的对具有不同对称性的同分异构体的强烈敏感性,XAS则可轻易地将这六种异构体鉴别出来,不管它们是否具有相同的对称性,而表现出对体系局域结构更强的依赖性。除此之外,通过分析各异构体中不等价碳原子的具体贡献,我们得到了基于六种结构下的总光谱中指纹特征的具体来源。2.基于软X射线光谱的二维g-C3N4材料结构成分的理论表征具有独特结构的二维g-C3N4材料,在多个领域有着广泛的应用。利用密度泛函理论（DFT）,我们模拟了g-C3N4的XPS和XAS。采用了一种组合的“团簇-周期”方法计算了它的XPS,其中,固体二维材料的核电离能（IP）是由气相下基于大团簇模型的IP减去体系的功函值而得到的。通过采用携有末端氨基基团的不同尺寸的团簇周期模型,我们获得了收敛的光谱,为5种不等价氮原子（1 sp2-N;4 sp3-N:bridging-N,tertiary-N,primary-amino-N,secondary-amino-N）和4种不等价碳原子的局域结构提供了新的光谱指认。所获得的理论光谱与实验光谱吻合得较好,理论的氮（碳）主峰与实验结果仅相差0.1-0.2 eV（0.5-0.8 eV）。计算结果表明,纯g-C3N4的N1s XPS仅含有两个主要特征,分别来自于sp2-N（398.6 eV）和sp3-N（401.2 eV）的贡献,且所有sp3-N的化学位移都非常地接近（仅偏离0.3-0.6 eV）。除此之外,我们预测,末端氨基基团-NHx将仅在高分辨率的实验光谱测量中才得以区分。在C1s XPS中,各不等价碳原子显示出相似的IP值（彼此的偏离值小于0.2 eV）,而仅呈现出一个宽的特征峰。基于以上的结果,我们进一步排除了可能对我们的XPS指认造成干扰的振激伴峰,我们对振激伴峰的模拟是在随时间变化的等效芯态空穴（ECH-TDDFT）近似的水平上进行的。所计算的XAS比XPS收敛得更快,在N1s XAS中,?*区域的指纹特征主要来自于sp2-N的贡献。我们的研究为g-C3N4中不同局域结构的指认提供了清晰的理论参考,可为其它各种设计的或做不可避免的结构修饰的g-C3N4研究工作提供有用的理论依据。此外,我们还强调了在计算一般二维材料K边XPS所采用的组合的“团簇-周期”方法,该方法可预测出精确的绝对值。3.基于软X射线光谱的哒嗪在硅表面上十五种可能吸附构型的理论表征有机杂环哒嗪在硅表面上的吸附对半导体硅的有机功能化有着重要的意义。通过比较地分析哒嗪在Si（100）表面上的可能吸附模式,我们推测出了十五种对应的吸附构型。通过计算它们的吸附能,得到了四种最可能出现在今后实验工作中的结构。我们利用XPS和XAS光谱技术对十五种吸附构型进行了理论的结构表征。结果表明,XPS对十五种结构表现出较弱的敏感性,而不能完全地将它们鉴别出来。而XAS则可以很容易地对这十五种吸附构型进行鉴别。此外,通过分析光谱中指纹特征的具体来源,我们还发现,不直接与硅表面原子相连的碳原子对光谱的贡献最大。本论文共包含了六个章节的内容:第一章为绪论,简要地介绍了X射线光谱的特性、富勒烯分子的特异性及研究进展、二维g-C3N4材料的广泛应用及结构特征、硅表面有机功能化的蓬勃发展;第二章对本文所涉及到的基本理论以及X射线光谱的模拟方法进行了简要的陈述;第三章介绍了X射线光谱在纳米尺度分子,富勒烯C36六个最稳定同分异构体,结构表征方面的应用,研究了XPS及XAS光谱技术对这一分子结构的不同敏感性;第四章简述了模拟二维g-C3N4材料X射线光谱的组合的“团簇-周期”方法,在实现二维材料X射线光谱模拟的基础上,呈现了对g-C3N4不同局域结构的精确指认;第五章介绍了X射线光谱技术在表面吸附体系上的应用,主要利用X射线光谱对哒嗪在Si（100）表面上的十五种吸附结构进行了表征;第六章对本论文的所有工作进行了总结,并在此基础上对所研究的工作进行了展望。