伴随分子电子学的迅猛发展和电子器件的小型化趋势,用单分子或分子团簇取代硅基半导体材料构建逻辑电路成为前沿研究领域。其中,分子整流器作为逻辑电路中最重要的元器件之一,受到科研工作者的广泛关注,且近年来在理论和实验方面均取得了较大的进展。本文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,设计了一系列高性能的分子器件,并研究了非对称电极、非对称耦合基团、非对称分子-电极接触构型等对分子器件电导及整流性质的调控作用。1.三角形石墨烯纳米片段电导及整流性能的研究经碳原子链将剪裁的三角形锯齿型石墨烯纳米片段(边缘悬空键由氢原子饱和,简称ZTGNF)连接到左右无限大非对称的锯齿形石墨烯纳米带(zGNR)和扶手椅型石墨烯纳米带(aGNR)电极上,构建了纯碳基材料的分子二极管,探究了aGNR电极的带宽以及分子与电极间耦合碳链的条数对分子结电导及整流性能的影响。研究结果表明,带宽和碳链条数对分子器件整流性能有不同程度的影响。特别是,当将ZTGNF用两条碳原子链耦合到右侧aGNR电极上时,获得了104数量级的整流比。这与采用具有块体结构的金属电极比较,该分子器件的整流性能有了很大地改善。2.单分子芳香性对其分子结导电性能的影响通过调控分子-电极接触构型的方式构建了金电极上的关于环戊二烯衍生物、呋喃、噻吩三个分子的分子结,并利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法计算了不同分子结的电导。在这里着重研究了不同分子-电极接触构型下分子结电导与分子芳香性间的关系。研究表明,在考虑到的两种接触构型下,三种分子结的电导与其芳香性均呈反比例关系,这与Chen等人的实验结果相符合,并给出了产生这种现象的原因,即分子芳香性的不同导致扩展分子前线轨道和电极的费米能级随偏压的非对称演化。本论文共分为以下五章内容：第一章为前言,简要介绍了分子电子学的发展、分子整流器类型及基于石墨烯的碳基分子二极管的研究进展。第二章为理论计算方法,介绍了第一性原理计算方法、多体系统电子结构计算的密度泛函理论方法及用于计算分子器件电输运性质的非平衡格林函数方法。同时介绍了结合后面两种理论求解分子器件电输运性质的自洽迭代过程。第三章及第四章着重介绍了基于上述理论方法所做的工作：第三章中探究了三角形石墨烯纳米片段电导及整流性能,着重研究了电极带宽及耦合基团数目的影响。第四章探究了不同分子-电极接触构型下分子结电导与分子芳香性间的关系。第五章是对本论文工作的简单总结与展望。