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随着纳米科学与技术的蓬勃发展,对二维材料及其范德华异质结的相关研究也快速兴起。而且,对高速运算性能的迫切需求导致电子器件尺寸越来越小和集成化程度不断提高,为满足电路大规模集成化的要求,低维材料的设计和制备成为当今科学研究的前沿。对二维材料及其异质结的研究将为突破纳米电子器件的尺寸瓶颈提供有效途径。石墨烯的成功制备为二维材料的研究打开了一扇门。由于石墨烯的带隙为零,限制了其在半导体器件中的应用。研究者受此启发,通过机械剥离或者化学气相沉积等方法制备了各种各样的二维材料。这些二维体系可以同时被用来探索各种奇异的物理性质和在纳米电子器件中的应用。此外,由于单一材料的性质总是存在不足或缺陷,可以通过组装不同的二维材料构建异质结或者外场作用来对二维体系的物理性质进行调控。实际上,二维材料在构成光电功能器件时有两个重要因素需要考虑:一是材料本身是否具有优异的光电性质,另一个是材料的光电性质是否可以通过外场作用进行调控。材料的光电性质很大程度上由其电子能带结构决定。因此,本论文主要的研究内容是探索新型二维材料的电子能带结构性质,并结合不同二维半导体材料的优势来构建各种新颖的异质结。基于第一性原理计算和原子键弛豫理论,我们研究了在不同条件下二维材料和异质结的能带演化、带阶变化、电子输运和界面电荷转移等性质。取得的主要研究成果如下:（1）研究了单层黑磷在单轴应变条件下电子能带结构的演变规律。结果发现因为原子排列结构的差异,黑磷在应力作用下呈现出明显的各向异性。我们从原子层次建立了单轴应变依赖的能带漂移的理论模型,将宏观可测参量和原子键参数有效地联系起来。结果表明,应变依赖的能带漂移的物理机制可归因于由键长、键能和键角的变化引起的晶体原子相互作用势的变化。（2）研究了界面旋转和外电场对黑磷/二硫化钼异质结能带结构演化和能级排列的影响。发现在黑磷/二硫化钼异质结中,导带底和价带顶的位置与轨道贡献随组分相对旋转而改变,而主要贡献都来源于钼原子的dz 2态和磷原子的pz态。当施加外部电场作用时,黑磷/二硫化钼异质结分别经历Ⅱ/Ⅰ/Ⅱ型能级排列、间接/直接/间接带隙类型和半导体/金属特性的转变。（3）研究了在电场作用下不同旋转角双层二硒化钨的能带结构变化和电子输运性质。发现通过旋转两个单层能将双层二硒化钨的带隙类型从间接转化为直接。电场可以使六个旋转角下的双层二硒化钨实现半导体到金属化的转变。此外,0°和60°堆叠结构的双层二硒化钨表现出各向异性的输运性质,并且锯齿型方向上的输运性质比扶手椅型方向更优。当施加电场作用时,无论双层二硒化钨体系边缘形状如何,60°旋转角情况下的运输特性都优于0°。（4）研究了两面神材料硫硒化钼（Janus MoSSe,J-MoSSe）/石墨烯（Graphene,Gr）异质结的界面性质。发现由于原子电负性和表面功函数的不同,硫原子与石墨烯接触形成的Gr/J-SMoSe异质结显示出n型肖特基势垒,而硒原子与石墨烯接触形成的Gr/J-SeMoS异质结则表现出p型肖特基势垒;增加J-MoSSe的层数可使Gr/J-MoSSe异质结实现从肖特基接触到欧姆接触的转变。此外,Gr/J-MoSSe异质结在外部电场的控制下可以实现n型肖特基势垒、p型肖特基势垒和欧姆接触的转变。