随着现代科学技术的迅猛发展,人们对集成电路和电子器件的需求趋向于更小、更冷、更快的趋势,因此传统硅基器件的发展陷入瓶颈阶段,分子电子学逐渐兴起引起研究者们浓厚的兴趣。近年来,分子组装结构技术、分子材料制备技术、分子设计技术等高新技术的出现使得在分子尺度上操控原子成为可能。科学家们通过将单分子与金属电极相连制备出了具有多样特性的功能性分子器件,这些特性包括:分子整流效应、负微分电阻效应（Negative Differential Resistance,NDR）和分子开关等等。然而,由于中心分子与金属电极之间存在弱电耦合问题导致其整流率微乎其微,石墨烯则很好的解决了这一问题。因此,本文采用密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）与非平衡格林函数（non-equilibrium Green’s function,NEGF）相结合的第一性原理计算方法,研究了两种典型的中心分子在以石墨烯纳米带（Graphene Nanoribbons,GNRs）和类石墨烯C₂N-h2D纳米带作为电极材料时的电荷输运性质,并发现了一系列有趣的结果。具体研究内容有以下三点:（1）构建基于扶手椅型石墨烯纳米带（armchair-edge ribbons,aGNRs）电极的二吡啶-苯环（dipyrimidinyl-diphenyl）分子器件。系统地研究了电极不对称掺杂对分子器件电输运性质的影响。研究结果表明,通过掺杂氮原子可使该二嵌段共聚物分子器件具有整流及NDR特性,且掺杂位置对该分子器件的电输运性质有很大影响。其中,右电极边缘掺杂,可引起整流现象;而右电极中心掺杂则不仅可以大大提高分子的导电性,还可产生明显的NDR效应和更加显著的整流效应,当电压为1.5 V时,其整流比最大为42.9,大于边缘掺杂时的最大整流比,也大于该分子与金电极相连时的整流比。（2）以二吡啶-苯环为中心分子,研究了锯齿型石墨烯纳米带（zigzag-edge ribbons,zGNRs）电极与新型二维晶体材料类石墨烯C₂N-h2D纳米带电极之间不同的电输运性质。研究结果表明,与石墨烯电极相比,C₂N-h2D电极可引起整流和NDR效应。此外,当电极为C₂N-h2D纳米带时,其边缘几何形状对分子器件的电输运性质有很大影响。当电极为锯齿形C₂N-h2D纳米带时,分子器件的NDR效应更加显著;而当电极为扶手椅形C₂N-h2D纳米带时则可表现出更好的整流行为,当电压为0.4 V时,其整流比最大为15.6,几乎是锯齿形C₂N-h2D纳米带电极的4倍。（3）研究了GNRs电极的边缘形状对光致开关分子丁二烯亚胺（butadienimine）开关特性的影响。研究结果表明,当电极为zGNRs电极时,分子器件的导电性及开关比均大于aGNRs电极。其开关比最大可达到8.7,大于丁二烯亚胺分子与金电极连接时分子的开关比。当电极为aGNRs电极时,其开关比受带隙调控,带隙越小,其开关比越大。这些研究结果将为实验中制备功能性分子器件提供理论指导。图31幅,参考文献110篇。