二维材料在光电子材料、微电子材料、能源材料及相关器件等领域有潜在的应用前景,受到了广泛的研究和关注。锡烯与石墨烯同居IV族,2013年,张首晟教授预测其是一种潜在的可室温工作的拓扑绝缘体材料,彻底激发了锡烯的研究。理论方面,研究人员对锡烯基本物理性质进行了一系列的探索,发现其具有许多新奇的特性。实验方面,研究主要集中在单层锡烯的制备。本论文围绕锡烯的力学性质、多体效应、复合体系、及其在能源材料方面的应用展开系统的研究。本论文主要研究内容包括:(1)锡烯几何结构及力学性质研究。研究了锡烯的理想强度、高阶弹性常数等力学性质,研究表明相比于IV族其他二维材料,锡烯杨氏模量最小(24.14 N/m),表明锡烯最容易变形,意味着锡烯电子性质最容易被应力调制。进一步考虑等轴应力(EQ)、单轴扶手椅方向应力(AC)、单轴之字形方向应力(ZZ)三种应力对锡烯及锡烷几何性质的影响。(2)锡烯及锡烷电子结构、多体效应及光学性质研究。综合考虑多体效应、自旋轨道耦合(SOC)、应力作用对锡烯及锡烷电子结构和光学性质的影响,采用不同的计算层次(GW,GW+RPA,GW+BSE,GW+RPA+SOC,GW+B SE+SOC),精确地得到了准粒子带隙、光谱吸收峰、激子结合能等重要信息。锡烯和锡烷的准粒子带隙分别为0.10和1.63 eV。锡烷中存在的束缚激子和共振激子分别位于1.54和3.50 eV,对应的激子结合能分别为0.09和0.61 eV。(3)二维锡烯复合材料体系的研究。研究了锡烯石墨烯异质结构、锡烯二硫化钼异质结构的几何性质和电子性质。石墨烯和锡烯都有狄拉克点,使得他们组成的异质结构具有更加新奇的电子性质,当两个狄拉克点位于同一高对称点时,将会出现能带反转的现象,通过计算拓扑不变量Z2,确定了其拓扑态。进一步地,通过应力和电场等外界手段可以调节异质结构的带隙。(4)锡烯纳米网状结构在能源材料方面应用研究。通过设计锡烯网状结构,研究其作为钠离子电池负极材料的性能。研究发现相比于锡烯,锡烯纳米网状结构能增大与钠离子的结合能,提高最大理论容量(提升600%%),提供新的扩散路径。研究表明锡烯网状结构是潜在的金属离子电池负极材料,并且引入网状结构将是提升二维材料在金属离子电池中性能的有效手段。本论文主要创新点包括:(1)发展了基于GW近似和BSE的第一性原理多体微扰理论,在方法中引入随机相位近似(RPA)及SOC来修正准粒子带隙和光吸收谱,确定了锡烷中的束缚激子和共振激子。(2)基于锡烯和石墨烯的六角结构,经特定的扩胞倍数((?),m,n为整数),筛选出晶格失配小于4%的锡烯石墨烯异质结构,最低失配低至0.07%;并将拓扑不变量的计算应用于异质结构超胞中。(3)研究了锡烯多空位重组演化规律,提出了锡烯纳米网状结构的形成过程,并将锡烯纳米网状结构用作金属钠离子电池负极材料,为锡烯从理论走向实际应用提供指导。