在纳米材料和器件中各种量子效应开始发挥作用,使其具备了传统材料和器件不可比拟的优良特性和规律,在超级计算机芯片、能量存储与转换、传感器等领域有重要的应用,是当今科学研究领域的热点之一。不断探索和研究新型高效的低维纳米材料并通过对材料进行修饰、掺杂、构建异质结等方式提高并丰富其性能是目前亟需解决的问题。本文基于第一性原理计算方法系统地研究了几种新型的低维纳米材料的电子结构及其器件的量子输运问题,讨论了外部条件（如应力、偏压、门电压等）对其产生的影响,并深入分析了体系内部的物理化学机制,揭示了其在不同领域中的可能应用。本论文的主要研究内容和创新之处如下:（1）GeP₃纳米带的电子结构及其隧穿结的量子输运特性。研究发现,单层GeP₃纳米带表现出半导体性质,而三层GeP₃纳米带表现出金属性。三层-单层-三层GeP₃纳米带隧穿结的量子输运行为取决于单层GeP₃纳米带和两端三层GeP₃纳米带电极的连接方式,随着门电压增大,底层连接和中间层连接系统的电导增大,而顶层连接系统的电导减小;底层连接和中间层连接系统的I-V曲线近似呈线性,而顶层连接系统会出现负微分电导。（2）Au-三角烯-Au分子结的纯自旋流和热电输运性质。结果表明,系统表现出良好的栅控自旋过滤效应,通过调控温差和门电压,能够得到纯自旋流和自旋依赖的热电势。通过温度、门电压和化学势的适当优化配置可以获得较高的自旋品质因子和相对很低的电荷品质因子。（3）新型层状KAgSe材料及其在光伏器件方面的应用前景。研究发现,单层KAgSe表现出较高的载流子迁移率和有效的可见光吸收,单层KAgSe纳米器件有较高的光电流,其光响应优于硫化物纳米器件和石墨烯纳米器件。二维层状KAgSe存在大小约为1.5 eV的直接带隙,处于激子太阳能电池候选材料的最佳带隙范围内（1.2¹.6 eV）,并且带隙几乎是层独立的。这是论文的创新点之一。（4）一种新型硼化物横向异质结及其相关性质。结果表明,硼化物横向异质结具有适当大小的直接带隙、超高的载流子迁移率和有效的可见光吸收性能。用单层BP-BAs横向异质结搭建的纳米器件在可见光范围可以出现很大的光电流和光伏响应,在相同的外部条件下远大于MoS₂-WSe₂系统的光电流和光伏响应,这些重要参数影响太阳能电池的性能,预示了其在太阳能电池方面潜在的应用价值。这是论文的另一创新之处。