过去几十年中,各种光电器件的小型化极大地促进了计算、通信、自动化以及其他各个领域的迅猛发展,深刻地改变了人类的生活方式。其中尤为关键的技术进步是硅基晶体管的持续小型化,它直接导致了集成密度更高、运行速度更快和能耗更低的集成电路。然而,随着器件尺寸进一步减小到纳米量级,硅基器件的进一步小型化却遭遇量子瓶颈,因而寻找替代硅的新材料(后硅材料)成为人们努力的重要方向。近些年各种碳纳米材料如富勒烯、碳纳米管及石墨烯的发现提供了极为有利的机遇,特别是石墨烯,其厚度仅为一个原子,但稳定性极高,且具有丰富的物理特性,特别是其载流子是具有准相对论性的狄拉克费米子。目前,基于机器烯的器件研究刚刚起步,虽然已经发展了场效应晶体管(FET)等一部分原型器件,但系统地发展碳基集成电路尚需要更多且性质更丰富的材料和器件。因而设计出更多与石墨烯相关的新型碳纳米材料,如碳纳米锥和单原子碳链等,并发展相关器件具有重要意义。然而,这些设计必须要解决以下基本问题：首先,碳纳米材料的体表面比大,远不如宏观体材料稳定。如何准确预测其稳定性(寿命)?其次,光电性质密切地依赖于原子的空间构型,如何可控地制备具有期望线径和构型的碳纳米结构?实际上,上述问题也正是当前普遍的纳米材料设基所遇到的困难。针对上述问题,本文开展了以下研究：1.建立单.原子统计模型预测纳米材料在不同温度下形成的时间以及材料的稳定性(寿命)。从本质上看,材料的形成与失效过程是由原子的热运动导致构型变化引起的,原则上可以通过分子动力学模拟直接给出相应时间。然而在通常条件下,失效时间可能超过小时甚至若干年,而一般的分子动力学模拟所能覆盖的时域最多为毫秒量级。为此,我们建立了一个单原子统计摸型,并以单壁碳纳米锥为例预测其形成的时间,同时进行了大量的分子动力学模拟证明了该模型预测的准确性。2.考虑到目前尚未在实验中制备出单壁碳纳米锥的事实,我们提出了线径和形状均可控的单壁碳纳米锥的制备方案,即首先利用离子或电子束刻蚀方法将吸附于衬底上的石墨烯进行可控的裁剪来得到目标碳纳米锥的展开而,进而利用碳纳米管作为原子探针提拉剪裁后的石墨烯以形成站立于金属衬底表面的单壁碳纳米锥。考虑到在制备过程中热运动的随机性,我们应用单原子统计模型并结合分子动力学模拟及第一性原理计算细致地分析了制备过程中的几个重要步骤并给出了相关的实验条件。此外,还利用单原子统计模型讨论了单壁碳纳米锥的稳定性,发现仅由70个碳原子组成的单臂碳锥在室温下的寿命也可达107年,为相关器件的实际应用提供了基础。3.电整流器件是纳米电子学设计中最基本的元件。近年来,人们已经发展出基于两类不同整流机理的纳米器件。第一类是利用碳纳米管以及石墨烯等纳米结构形成p-n结或Schottky结实现整流,这要求材料至少在一维尺度达到较大的尺寸,限制了其进一步的小型化：另一类是单分子整流器件,然而单分子的分离、表征以及与电极精确连接等技术方面均存在相当难度。更重要的是,一般的单分子器件热稳定性较差而难以付诸实际应用。基于上述事实,我们提出了基于单壁碳纳米锥的电整流器件,并利用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法研究了113°、60°和39°三种不同锥角的单壁碳纳米锥的电整流性能,发现它们均具有良好的整流特性,其中113°锥的整流性能最好。在此基础上,深入地探讨了碳纳米锥整流的原理,发现碳锥的不对称结构是整流的根本原因,并以此解释了已有实验中关于锥状碳纳米结构的整流现象。此外,还分别讨论了单壁碳纳米锥整流器件中不同的电极材料以及利用氢原子钝化碳锥边缘对于整流效果的影响,发现氢的钝化作用不仅可以提升纳米锥的稳定性,而且有利于提高整流性能。4.近年来,高能离子束在医疗、成像及聚变等各个领域的应用日益广泛,特别是高能碳离子源是治疗肿瘤的理想选择。然而当前利用大型加速器产生高能离子束的方法已经不能满足上述需要,寻找体积小、使用方便的高能离子源是该领域发展的重要方向。已有的工作发现,利用强激光作用于团簇发生的库仑爆炸可以产生出射能量高达MeV的离子,但其明显缺点是出射离子的准直性和单能性较差。针对上述不足,我们提出了利用石墨烯的库仑爆炸获得高能准直碳离子束的方案,即将可控尺寸的石墨烯放入长度为微米、线径为纳米的毛细管中,利用强激光(功率大于1013W/cm2)聚焦到石墨烯表面,诱导其发生库仑爆炸,由此可得到沿管长方向出射的准直高能碳离子束。我们利用分子动力学模拟了上述库仑爆炸的过程,并讨论了石墨烯尺寸、层数及毛细管的长度对于出射离子的准直性及单能行的影响。结果表明,利用微米大小的多层石墨烯可能得到出射能量达到MeV的碳离子束。