石墨烯的成功剥离及其新奇物性的发现掀起了二维原子晶体材料的研究热潮,二维原子晶体材料包含金属、半金属、半导体、绝缘体等,其中半导体二维原子晶体材料的带隙范围从紫外到红外均有分布,因此,二维原子晶体材料在纳米电子,光电和新型超薄柔性等器件中具有潜在的应用前景。虽然已有大量的二维原子晶体材料被计算上预测,或者在实验上成功制备,但是二维原子晶体材料的宝库之丰富值得进一步挖掘,以获取高性能的材料。本文基于第一性原理计算方法,预测了几种二维原子晶体材料,并研究其结构、物性及其关联,扩充了二维原子晶体材料库,为高性能电子器件提供了候选材料。主要研究结果总结如下:1.构建了一种新型氢化石墨烯（HPHG）,它是周期性氢化石墨烯后形成的一种具有蜂窝状氢化区域的部分氢化石墨烯。单层HPHG是一种反铁磁性半导体,其反铁磁态与锯齿形石墨烯纳米带十分相似,投影态密度（PDOS）显示其磁性源于H原子吸附引起的pz轨道劈裂和部分占据。嵌入在HPHG内的具有反铁磁边界态的石墨烯纳米片（GNF）阵列可以用作选择性吸附Au原子的模板,以促进GNF边界处的进一步氢化。随后研究了HPHG在Ru（0001）基底上的生长过程。理论计算发现该过程包含两个步骤:第一步,H原子插层。H原子从石墨烯和基底形成的摩尔周期的atop区域穿过石墨烯而吸附在Ru基底上,进而占据所有的atop、bridge和fcc区域的C原子而形成蜂窝状的H原子插层。第二步,石墨烯氢化。H原子从atop区域开始逐渐双面氢化有H原子插层区域的石墨烯,最终氢化所有的atop、bridge和fcc区域而在Ru（0001）上生长出蜂窝状的氢化石墨烯HPHG。实验上通过向Gr/Ru溅射H原子等离子体获得了部分氢化石墨烯,扫描隧道显微镜（STM）实验图与基于HPHG的STM模拟图完全吻合,证明实验上成功生长出了HPHG。本工作为HPHG进一步应用提供了理论基础。2.预测了一种新型的二维原子晶体材料——单层IrSX’（X’=F,Cl,Br,I）,理论计算显示这一类材料具有各向异性的高迁移率等物理特性。首先,从超过340种属于Pmmn(C2v)空间群的单层MXX’（X=S,Se,Te;X’=F,Cl,Br,I）化合物中筛选出45种带隙大于0.1 e V的半导体材料。其中,IrSX’（X’=F,Cl,Br,I）是有效质量较小且凸包能量较低的一族半导体材料。声子谱和室温下从头算分子动力学（AIMD）模拟表明单层IrSX’是动力学和热学稳定的。其中单层IrSF是一种带隙为0.38 e V的直接带隙半导体,而单层IrSCl,IrSBr和IrSI是间接带隙半导体,带隙分别为0.30 e V,0.30 e V和0.20 e V。通过对能带结构分析发现,价带顶和导带底具有较小的有效质量,这意味着此类材料可能具有很高的迁移率。接着根据形变势理论计算了IrSX’的载流子迁移率。发现其中单层IrSF的迁移率最大,并且沿y轴的空穴迁移率高达2.1×104 cm2V-1s-1,高于利用相同方法计算得到的单层黑磷的迁移率,这表明单层IrSX’具有应用于高性能电子器件的潜力。IrSF还是一种铁弹材料,因此结合铁弹性和迁移率的各向异性可以通过外加应力实现对电子迁移方向的精确控制。利用更为精确的HSE06泛函计算的IrSF沿y轴的空穴迁移率也在104 cm2V-1s-1数量级,确定了高迁移率与泛函选取无关。IrSF还具有各向异性的可见光吸收特性,计算发现沿y轴的光吸收率最高可达34%,沿x轴的光吸收率很低,约2%。除了以上性质外,能量的三元相图表明IrSF以及其他三个材料都具有很高的热力学稳定性,有望在实验上合成。本工作为单层IrSF等材料用于半导体电子器件提供了理论依据。3.研究了一种二维原子晶体材料——单层CrN,并研究其电学性质、磁学性质和力学性质。本工作考虑了CrN的三个不同相:方形相,平面的六方晶格相和三明治的六方晶格相。形成能计算发现方形相的CrN具有相对较小的形成能,为最稳定相,最有望通过分子束外延方法合成。因此,本文继续研究了方形相的物性。方形相的CrN具有D4h点群对称性,其晶格常数约为4.02（?）,是一种铁磁半金属材料。根据海森堡模型,其磁转变温度预估超过1000 K。通过计算PDOS,发现其铁磁性和半金属性来源于Cr原子的d轨道的劈裂。通过计算不同的磁相互作用,发现其磁性主要由超交换作用贡献。此外,方形相的单层CrN具有低的杨氏模量和较大的临界应变,并且在施加不同应变的情况下,其铁磁半金属性质稳定存在,因此方形相的单层CrN在柔性的生物相容的电子器件领域具有广泛的应用前景。本工作为单层CrN用作柔性电子器件提供了理论支持。4.与实验结合研究了CaKFe4As4解理面的结构及其物性。实验合作者利用STM对低温解理的CaKFe4As4的解理面进行结构表征,遇到了两个难题。第一,解理面上分布着原子团簇,然而不能分辨是Ca原子还是K原子。第二,变偏压扫描时,CaKFe4As4解理面上除原子团簇分布外的平整区域,即As原子层,从√2×√2结构演化为1×1的结构,这种变偏压导致的结构转变机制尚不清楚。针对以上两个实验上的难题,进行了DFT计算。解理能计算说明样品从K-As面解理比从Ca-As面解理需要的能量少,更容易解理,所以表面的原子团簇应该是解理面上的K原子。接着计算了As面的结构和表面As原子的PDOS,得出导致CaKFe4As4变偏压时结构转变的原因如下:原胞内的两个表面As原子不在同一个平面内,而是形成一个微小的高度差,高度差导致原胞内的两个表面As原子的PDOS在某些能量区间内差别较大。所以,在有些偏压下,STM图像只显示电子态密度更大的一套子晶格的As原子,即√2×√2结构;而在另外某些偏压下,由于两套子晶格的As原子的电子态密度相似而显示所有As原子,即1×1的结构。本工作为有关CaKFe4As4表面的后续研究提供了重要的理论支持。