众所周知,铁电材料具有自发电极化,并且电极化在外加电场作用下是可以切换的。由于它在电光学、压电和非易失性存储设备等不同方面的应用而受到广泛研究。铁电性第一次在包含氢键酒石酸离子的罗谢尔盐中发现,开启了铁电学研究的大门。考虑到该盐包含氢键酒石酸离子,氢键与铁电体之间的联系也随之被揭示。事实上,从氢键的性质来看,不难发现铁电体在氢键晶体中是广泛存在的。这是因为大多数氢键具有极性并且许多氢键晶体是空间反演对称性破缺的;另外氢键是相对弱的键,因此在电场作用下,它也容易断裂。此外,由于铁电体反演对称性破缺的特点,那么氢键铁电体也是压电体。压电材料具有在外界应力作用下产生电势或者在电场作用下产生机械运动的能力。压电材料已经被用于很多领域,包括:传感器、执行器、纳米定位器、超声波马达成像设备等等。在本学位论文中,我们使用第一性原理计算结合蒙特卡洛模拟的方法研究了一些氢键体系的铁电、多铁以及压电性能。首先,我们通过第一性原理计算的方法证实了强碱化合物氢氧化钠和氢氧化钾中具有超长离子位移的铁电性能。通过在体系中引入少量的质子空位就可以实现质子转移模式从原胞内转移完全变成胞间转移。与此同时,还会引入带有移动磁矩的多铁孤子并且会产生一个比大部分钙钛矿铁电体高几个数量级的铁电极化。它们的薄膜的垂直极化可以强烈抑制退极化场的影响,这也就使得不同类型二维铁电场效应晶体管的设计成为可能。这些铁电场效应晶体管具有无损读出的性能并且可以通过感知可切换的金属/绝缘状态实现超高开关比。然后,我们通过第一性原理计算,基于过渡金属官能化分子三明治纳米线的方法设计了几种零维和一维铁电/多铁材料。它们拥有一系列奇特的性质。比如,类似于羧基的一些官能团将会在三明治纳米线周围自发形成三重氢键螺旋链,并且具有强劲的可切换极化。铁电极化切换有两种模式。当三明治纳米线的末端不能形成氢键时,极化翻转通过配体的重定向实现。同时,氢键链重组并且会改变氢键螺旋链的螺旋性。当三明治纳米线两端都能形成氢键时,极化翻转则通过质子转移的方式实现。然而,氢键链的螺旋性保持不变。这两种极化切换模式的结合可以使得系统作为一个具有小迁移势垒的最小质子导体,这个势垒要比许多流行的高迁移率质子导体要小的多。同时该势垒又是足够大的,可以抵抗室温条件下的热波动。这一理想特性可用于构建纳米级人工离子突触,实现神经形态计算。在突触晶体管的设计中,可以通过控制质子在链上的迁移来不断改变非易失性多级电阻MXene基后神经元的电导。突触功能的成功模拟将使它们在未来的高密度人工神经系统应用中充满希望。此外,我们提出了一种获得超高压电系数的新方法,并且这个压电系数在理论上应该无限大,同时也要求铁电体的居里温度对应变敏感。通过第一性原理和蒙特卡洛模拟结合的方法表明很多柔性无毒的氢键铁电体（比如有机体系Ph MDA）可以作为理想的候选者。由于氢键柔软的特性,氢键网络可以很容易被压缩和拉伸,它们的质子迁移势垒会随着质子转移距离延长而急剧增加。只需要一个2%的拉应变,它们的势垒和居里温度就会增加近两倍。此外,还可以通过固定一个方向的应变精确调控居里温度至室温,然后在另外一个方向上获得2058p C/N的超高压电系数。这个值甚至可能被低估,可以通过施加更小的应变来大大增强。由于它们具有高的热释电系数,除了可以用于制作传感器之外,还可以用来将机械能或热能转化为电能。