低维材料具有优异的电学、磁学、热学和力学性能,在未来的电子器件、柔性材料、新型功能器件和纳机电系统等领域具有重大的应用前景。力学性能是评价低维材料使用寿命的一项关键指标,良好的塑性、强度和电子性能才能保证低维材料在柔性器件中的实际应用,因此,研究低维材料力电性能有着重要意义。众多研究工作集中到低维材料的实验制备,通过合理控制实验参数,制备出性能优异、功能强大的低维材料。然而,实验工作难以从分子或原子角度阐释内部结构的微观作用机理,仅能通过大型仪器设备检测研究其表观形貌和性能。相比于此,理论模拟工作展现出极大的优势,通过构建微观原子级别形貌结构,在原子或分子量级调控低维材料几何结构和内在缺陷,进而从内部原子结构上合理调制材料力电性能。鉴于以上分析,我们通过理论模拟来探究碳和氮化硼低维材料的内部结构对力电性能的影响机制。首先,构筑氮化硼纳米管（BNNTs）基本体系,通过引入Stone-Wales（SW）、B或N空位和内嵌石墨烯片结构,我们分别探讨了原始和缺陷BNNTs的力学参数（如力学强度、刚度和临界应变等）和电子性能（如能带结构、电荷布居等）随缺陷结构的变化规律;然后,我们搭建以五元环为基本单元的新型纳米管模型（PGNTs）,探究其内部特殊几何结构在应变下的能带结构变化、力学性能和断裂失效行为;最后,通过研究内部孔洞缺陷对六方氮化硼（h-BN）片力学性能的影响规律,揭示了缺陷致力学增强效应。本论文的主要研究内容和结论如下:第一章主要论述了本论文的研究背景及研究意义。首先,简要介绍了低维材料的基本结构、物理化学性能、制备方法以及相关应用;然后,我们详细阐述了几种典型的内部缺陷结构,讨论内部缺陷对低维材料力电性能的影响,指出缺陷工程在低维材料理论研究和实验工作中的重要意义。第二章首先介绍了密度泛函理论的基本原理,该理论的发展是探索交换相关能的近似泛函,从局域密度近似、广义梯度近似,再到自洽场相互作用的修正,多种泛函相继出现寻求最佳计算泛函;然后介绍了以密度泛函理论为基础的DMol3计算模块;最后介绍了分子动力学基本思想、系综的原理以及分子动力学计算流程。第三章采用密度泛函理论（DFT）方法对原始和缺陷BNNTs的电子和力学性能进行了系统地研究。在电子性能方面,施加应变或构筑缺陷是减小BNNTs带隙的有效手段。在力学性能方面,探究原始BNNTs的力学性能与纳米管直径或手性之间的关系,我们发现其力学性能不依赖于纳米管直径;同时,由于应力承载键的受力方向不同,不同手性纳米管力学性能发生变化。通过构筑缺陷BNNTs模型发现,缺陷的引入破坏了纳米管的对称结构,使其承受载荷变形能力降低从而导致刚度的降低。另外,增加径向RadialSW缺陷密度,BNNTs的力学强度呈线性降低趋势。然而,改变轴向的Axia1SW缺陷密度会导致BNNTs力学性能呈现出奇特的现象,在一定范围内,随着缺陷密度的增加,纳米管的力学强度和临界应变逐渐增加;缺陷密度增加到最大,轴向SW缺陷承受主要拉伸应力,导致强度迅速降低。我们通过研究空位缺陷影响机制,发现B空位BNNTs比N空位模型具有更高的力学强度。通过讨论分析断裂机制,结果表明原始BNNTs的最终失效是由于在拉伸应变下Type1键断裂,Type1键起到了应力承载键的作用;诸如SW或空位之类的缺陷作为BNNTs的断裂源,在拉伸应变下断裂源逐渐扩展直到纳米管断裂。第四章借助密度泛函理论（DFT）方法研究了嵌入六边形或三角形石墨烯片的杂化氮化硼纳米管（BN-CNTs）在轴向拉伸载荷下的力电性能和断裂机制。与原始BNNTs相比,杂化BN-CNTs的力学强度有了一定程度的增加,而刚度由于嵌入石墨烯片破坏其对称结构而降低。我们分析断裂机制发现,碳/氮化硼界面结构中形成的C-B键和C-N键在拉伸过程中有着重要作用:在具有C-B键界面的杂化BN-CNTs中,C-B键是主要应力承载键,作为初始裂纹源优先发生断裂;在具有C-N键界面的杂化BN-CNTs中,新形成的C-C或C-N键难以断裂,而它们相邻的B-N键将首先断裂。在电子性能方面,杂化BN-CNTs的带隙由于石墨烯片的掺杂而降低,另外,施加应变也可以减小纳米管的带隙。第五章采用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）方法主要研究了 PGNTs在轴向拉伸和压缩载荷下的电子性能和力学行为。我们通过构建PGNTs模型来探究其能带结构、电荷布居、原子轨道和断裂行为等重要性能。在电子性能方面,研究表明PGNTs的带隙随着纳米管直径的增加而逐渐减小;在施加应变时,（9,9）PGNT的带隙随压缩应变而减小,而随拉伸应变增大。通过分析电荷布居,结果发现在外界载荷作用下电荷发生转移,采用HOMO-LUMO原子轨道分析电荷富集状态可以证明电荷转移机制。在力学性能方面,施加拉伸应变后,PGNTs的力学强度和临界应变不依赖于纳米管的直径。最后,我们深入讨论PGNTs的断裂机制:在拉伸过程中,C1-C1和C1-C2化学键充当主要的应力承载键从而决定了 PGNTs的力学性能;随着施加拉伸应变的提高,一种新产生的八元环结构在PGNTs模型内部成核并成为缺陷位点,该结构作为断裂源逐渐扩展最终导致PGNTs的断裂。第六章借助分子动力学方法（MD）研究原始和缺陷六方氮化硼（h-BN）片的力学拉伸行为。通过构筑h-BN片的椭圆形和矩形缺陷,我们分析并讨论了其力学强度和临界应变随缺陷尺寸和类型的变化关系。结果表明,随着椭圆形缺陷尺寸沿长轴方向的伸长,h-BN片的力学强度和临界应变均逐渐提高。缺陷孔洞较小的h-BN片形成局部应力集中,在外加载荷作用下,局部位点必然会承受较大的拉伸应力;具有较大缺陷孔洞的模型,其应力均匀分布在孔洞边缘,外加的拉伸应力被均匀释放在缺陷空洞边缘,在拉伸载荷下需要更大的拉力来破坏h-BN片,因此,随缺陷尺寸增加,其力学性能增强。通过对比研究发现,缺陷边缘结构对h-BN片的力学性能有着重要的作用机制,相比于弯曲缺陷边缘结构,平直的缺陷边缘结构能够承受更大的拉伸应力。分析断裂机理发现,随着拉伸载荷应变的增加,形成的多元环结构作为成核位点加速缺陷的扩展,最终导致h-BN片断裂失效。第七章我们总结和归纳了本论文的研究工作和主要创新点,并对今后拟开展的研究工作进行了展望。