随着电子器件微型化的发展,硅基半导体器件已渐近其材料与物理极限。碳基分子器件被认为是取代硅基电子器件的最佳选择。新型碳基材料如石墨烯,碳纳米管等因其优良物理性能正成为制造下一代新型电子器件材料的主力军。近年来,石墨烯/碳纳米管复合材料越来越受到关注,因为它不仅具有石墨烯和碳纳米管各自的各种优良特性,还表现出石墨烯和碳纳米管所不具备的优异物理化学性能,并已可成功应用于电容器、光电器件、储能电池、电化学传感器等领域。本论文采用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法,较系统地研究了多种构型的石墨烯/碳纳米管异质结的电子输运特性。在考虑其动力学稳定性的基础上,重点研究了石墨烯/碳纳米管异质结输运性质与异质结界面结构及所形成的特征环型结构的关系,观察到了与结构细节无关的明显的电学整流效应及因环型结构而导致的自旋过滤效应,并对其机理进行了较为详细的分析。我们研究了侧连石墨烯/碳纳米管异质结。首先把两条半无限长齿型石墨烯纳米带对称地连接在碳纳米管侧壁上,构建出侧连石墨烯纳米带-碳纳米管-石墨烯纳米带异质结结构(GNR-CNT-GNR)。然后采用从头算分子动力学方法验证了其室温热稳定性。接着采用非平衡态格林函数结合自旋极化密度泛函理论研究了它的电子输运性质,结果发现这种侧连异质结具有良好的共振效应和自旋选择输运的特性。最后,通过研究其自旋电荷密度分布,发现碳纳米管和石墨烯纳米带连接处的两条sp3杂化线形成了隔离器,使碳纳米管如同一个电学共振腔,只有满足共振条件(能量和波数)的电子才能通过这个共振腔;由于石墨烯纳米带的电子自旋特性,在费米能附近只有一个自旋方向的电子可能共振通过这个异质结,导致了自旋选择输运特性。该研究成果为实验上设计全碳分子器件以实现自旋注入和自旋过滤等功能提供了理论依据。我们研究了端连石墨烯/碳纳米管异质结。实验上已发现通过部分切割碳纳米管可以得到这个端连异质结,我们研究切割在接触区留下的结构细节对这种异质结电子输运特性的影响。结果发现,这种异质结具有半导体特性,并且具备良好的电流整流效应。更重要的是,整流行为特性曲线具有良好的稳定性,对接触区结构细节不敏感,并且切割越平滑,整流性能越好。此外,我们还发现具有理想接触结构的这种异质结呈现金属特性,且其整流效应比具有实际接触结构的体系要差很多。这些研究成果表明利用端连石墨烯/碳纳米管异质结可实现高效分子整流器件的制备和设计。我们在基于前一章的研究结果上,设计了碳纳米管两端都连接石墨烯纳米带的端连GNR-CNT-GNR异质结结构。研究结果发现连接区的结构细节会明显地影响这种异质结的电子输运特性。我们发现对接越尖锐则应力越大,两套电子结构(GNR与CNT)越能耦合在一起,导致体系呈现金属性,在费米能附近具有连续的电子透射谱,这不利于自旋输运和整流效应。而具有平滑连接的这种异质结却因两套电子结构不能很好地耦合而呈半导体性,具有明显的自旋输运特性。该研究成果有助于设计基于石墨烯纳米带和碳纳米管的一维全碳自旋器件。我们进一步研究了两个接触区的微结构对端连GNR-CNT-GNR异质结电子输运特性的影响。我们研究了对称结构和非对称结构。发现当两个接触区均为对称理想接触时,GNR-CNT-GNR复合异质结表现为金属性。当两个接触区均为对称的实际接触时,存在较强的共振输运,在不同的势垒高度下,GNR-CNT-GNR复合异质结可表现为金属性或半导体性。而当两个接触非对称时,GNR-CNT-GNR复合异质结均表现为半导体性。由于实验室制得GNR-CNT-GNR复合异质结大多为非对称结构,因此实验室制得的GNR-CNT-GNR复合异质结大多表现为半导体性。也可以得到这样的结论,在锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)中插入一段有限长度的扶手椅型碳纳米管时,会将ZGNR的金属性转变为半导体性。这些结果对设计基于石墨烯纳米带和碳纳米管的一维分子器件有很好的应用价值。我们研究了在CNT-GNR复合异质结的不同位置掺杂氮(N)原子对其电子输运特性和整流特性的影响。我们考虑了掺杂N原子的位置分别在碳纳米管段,石墨烯纳米带段和整个器件三种情况。沿一维CNT-GNR复合异质结的纵向掺杂一排N原子,当N原子的相互距离为锯齿型石墨烯纳米带的三个原胞距离时,不能改变CNT-GNR复合异质结的半导体属性,但是明显减小了其能隙宽度。在CNT段掺杂N原子会加强导带底电子的输运能力。当在GNR段掺N原子时,会加强价带顶空穴的输运能力。在CNT和GNR都掺杂N原子,则同时加强了导带底电子和价带顶空穴的输运能力。分别在CNT和GNR段掺杂N原子不能改变CNT-GNR复合异质结的整流特性,但在整个器件连续掺杂N原子的CNT-GNR复合异质结不具备整流特性,因为两电极间连续N原子掺杂加强了CNT-GNR复合异质结电子的传输作用。以上研究成果对设计全碳自旋过滤器,整流分子器件提供了很好的理论依据,必将有助于碳基分子电学器件的进一步发展。