电子器件的不断微型化激起了人们对分子器件的研究热情。同时,碳基器件也被人们认为是当今硅基半导体器件最为理想的替代者。本文针对具有重要理论意义和广泛应用前景的低维碳基材料构成的分子器件,将密度泛函的电子结构理论与非平衡格林函数的输运理论相结合,研究了功能分子器件中的电子输运特性及其调控机理,着重研究了原子掺杂、金属吸附和扭转等物理化学方法对分子器件性能的调控。具体研究内容如下:第一章首先提出了问题及其产生的背景,在此基础上探讨了研究的目的及意义。然后介绍了本文涉及的几种典型的低维碳基材料的结构及其分子器件的研究进展,最后介绍了论文的主要研究内容和框架结构。第二章介绍了电子结构及其相关输运特性计算相关理论和方法。首先在密度泛函理论的框架上明确其核心问题是关联势的选择。然后探讨了输运特性计算广泛采用的非平衡格林函数方法,并将其与密度泛函理论相结合,应用于低维碳基材料结构及输运特性计算。同时还对计算采用的ATK软件包进行介绍。最后对本文涉足的几种典型的输运特性进行了阐述,这为后续的研究奠定了坚实的基础。第三章深入研究了联苯分子结的电输运特性B/N掺杂效应,其中联苯分子结由两联苯分子通过烷链连接构成。结果表明B/N掺杂位置对其伏安特性有显著影响:当B/N原子靠近烷链,整流比很小,而当B/N原子远离烷链,整流比显著地增大,可达到287,这是因为不同掺杂位置导致电子转移以及中心区电子结构改变程度不同,器件的电流在正负偏压下表现为非对称性不一样。另外,在某些位置掺杂,可以观察到负微分电阻特性效应,这主要是某些偏压下抑制了导电轨道所致。论文第三章从透射谱、分子自洽哈密顿量的本征态、静电势分布和态密度详细对这些现象形成原因进行了分析。第四章基于第一性原理研究了B/N掺杂对碳纳米管-碳链-碳纳米管体系的电子和自旋输运的调控,电极采用一端用半个C₆₀分子进行封闭的碳纳米管。计算结果表明,B/N掺杂位置影响体系的输运特性:当B/N原子分别掺杂于碳链的末端时,体系具有明显的整流现象,而B/N原子掺杂在其它位置时,整流效果很弱。另外,在两侧B/N掺杂、不掺杂或只掺杂N（B）原子的情况,发现不掺杂或只掺杂N原子的体系表现出自旋过滤效应,而其它体系表现为自旋简并。通过分析透射谱、PDOS、LDOS、自旋密度和电子透射路径对这些结果做了解释。第五章基于密度泛函理论,通过计算吸附能、态密度、能带结构、电子偶极矩、磁矩和功函数（WF）,研究了金属原子吸附石墨烯（M+石墨烯）结构和电特性。发现Li、Na、K、Ca和Fe吸附倾向于形成稳定结构,而Cu和Ag吸附石墨烯后极有可能发生扩散。并且石墨烯的特征电子结构因Fe、Cu和Ag的作用而显著改变,但是Li、Na、K和Ca原子吸附时,费米能级附近的结构没有发生改变。M+石墨烯的电子偶极矩和磁矩对金属原子的吸附非常敏感。另外,我们还发现由于表面偶极矩对电子的贡献,Ag+石墨烯和Fe+石墨烯的WF增加。第六章基于非平衡格林函数方法,在密度泛函理论框架内,研究了扭转对窄扶手椅型石墨烯纳米带的热电输运性能的影响。计算结果表明,扭转扶手椅型石墨烯纳米带（AGNRs）可以改变其电子结构和声子色散关系,从而起到调制其热电输运性能的作用。随着扭转角增大,石墨烯纳米带的热导率趋于下降,并且不同的扭转角可导致ZT_max不同,这表明通过扭转可以连续调节石墨烯纳米带的热电性能,为石墨烯材料的热电应用提供了理论支持。第七章我们进行了总结,并根据开展工作的情况提出了进一步研究工作的安排。本文以分子整流、负微分电阻、自旋过滤和热电输运为研究对象,以低维碳基材料为载体,探讨了掺杂、吸附、扭转等对分子器件的结构和输运特性的影响,并对其成因进行了详细的分析,这丰富了分子器件机理的研究,并为碳基纳米器件的设计提供了一些有效的方法,为其结构与性能的调控提供了一种可行的方式,为低维碳基材料在分子电子学中的应用提供了多元的可能性。