金属是人类生产和生活中不可或缺的一类物质,其中贵金属(例如铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)等)在我们的生产生活中更是占据着不可取代的地位,Cu作为目前用途广泛的一种商业金属,具有许多优良的性能,如良好的抗腐蚀性、较高的强度以及较好的延展性,因此被广泛用作集成电路中的互连线;Ag具有较好的导热和延展性,其导电性是已知金属中最好的;Au质地柔软,具有较好的抗腐蚀性,其延展性是已知金属中最好的。近几十年来,随着纳米科技的出现和快速发展,一维贵金属纳米结构及其合金纳米结构表现出与其体相材料截然不同的电学和力学性能,因而备受研究人员的关注。本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,主要研究内容及结果如下:(1)系统地研究了多壳层Cu纳米线的结构稳定性和电子特性。不同线径多壳层Cu纳米线的平衡态晶格常数相差不大,都表现出金属特性,且其单原子平均结合能和量子电导随着纳米线线径的增加而增加。纳米线中内壳层Cu原子表现出与体相结构Cu原子相似的电子特性,而表面壳层Cu原子由于配位数的减少,其3d态能量范围变窄且整体向费米能级发生移动。电荷密度分析表明,相对于体相Cu晶体中原子间的相互作用,纳米线表面壳层Cu原子与其最近邻原子间的相互作用明显增强。(2)系统地研究了超细(4,4)银纳米管(AgNT)吸附轻原子和分子(CO分子,O原子和N原子)以及自身缺陷(吸附缺陷和空位缺陷)对其结构和电子特性的影响。CO分子的最稳定吸附位置为顶位,CO分子和近邻Ag原子轨道间的电子赠予和反馈过程导致了成键/反键对的形成,分别为5σb/5σa和2πb*/2πκ*,且CO分子吸附后,AgNT的量子电导降低了 1G0。O原子和N原子吸附后,都和AgNT发生了强烈的相互作用,导致AgNT的量子电导分别下降3G0和2G0。Ag原子吸附的高吸附能和单空位缺陷相对低的形成能均表明,在AgNT的合成过程中两种缺陷都有可能发生。对于Ag原子的吸附缺陷,AgNT量子电导保持不变,而对于单空位缺陷,AgNT量子电导降低了1G0。(3)系统地研究了双金属银-金(Ag-Au)、铜-金(Cu-Au)以及铜-银(Cu-Ag)(4,2)合金纳米管的结构稳定性、电子特性和光学性质。由于悬空的Ag-Au和Cu-Au合金管在结合能和弦张力随着相应单胞长度变化时,都存在局域极小值,因此Ag-Au和Cu-Au合金管是稳定的,且其相对稳定性随着金浓度的增加而增强。然而,在将来的实验中制备悬空的Cu-Ag合金管将会是困难的。研究发现,金元素的相对论性效应以及作用于尖端接触的弦张力在有效抑制自净效应方面具有重要的作用,使得Ag-Au和Cu-Au合金纳米管能够稳定形成。此外,与相应纯金属纳米管的量子电导相比,Ag-Au和Cu-Au合金纳米管的量子电导增加了1G0。