随着科技的进步、时代的发展,具有特殊性质、优异性能的材料日趋增多。尤其是在2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用微机械剥离法成功获得了石墨烯,由此打开了二维（Two-dimensional,2D）材料世界的大门。石墨烯具有独一无二的结构和各种特殊的电子性能,但本征零带隙的能带性质限制了它在半导体领域的发展。人们因此想出许多调节带隙的方法,并由此发展出更多的石墨烯衍生物。与此同时,具有不同性质的石墨炔家族的出现丰富了材料领域的种类,如半金属,半导体和金属。随着越来越多二维碳材料的不断涌现,研究它们的结构和性质、挖掘它们的潜能、探索它们的应用前景成为我们的当务之急。在本文中,我们搜索到一系列二维结构,采用理论计算的方法研究它们的结构及电子性质,并通过掺杂N原子的方式拓展研究。通过使用基于第一性原理的对称搜索算法,大量的结构包括已经发现的和新型的结构被搜索到。基于密度泛函原理,我们对以晕苯为基元的中等尺寸的二维碳同素异形体进行系统的研究。首先,我们预测了一种新型类石墨烯的碳同素异形体,并将它命名为蓝石墨烯（azugraphene）。其空间群为,且单位晶胞内的38个原子可以分裂成3个5-7环的薁结构、1个六元环和2个剩余原子。蓝石墨烯是一种类石墨烯的稳定碳同素异形体,它在能带的第一布里渊区有六个狄拉克锥。由于稳定性和基本结构单元的存在,蓝石墨烯有在实验中合成的极大可能性。此外,稳定的AB堆叠双层蓝石墨烯也是一种带隙为2.5 meV的狄拉克锥材料。因此,单分子层和双分子层蓝石墨烯在物理、化学和纳米电子学方面都具有巨大的潜力。基于第一性原理计算,包括蓝石墨烯在内的10个以晕苯为基元的二维碳同素异形体在结构上有一定的规律,我们将它们分为六类。其中最特别的是,7-晕石墨烯是P_6m空间群,其他晕石墨烯2D碳结构都是P_6mmm空间群,与石墨烯相似的是它们均属于六方对称晶系。蓝石墨烯是唯一一个拥有狄拉克锥的2D碳结构,1B-和0-晕石墨烯均是间接带隙半导体且带隙分别为2.02和0.770 eV,其他的结构均是金属导体。在以晕苯为基元的二维碳结构上进行杂原子掺杂,这是改性二维材料的重要方法。通过16-,7-,lA-和1-晕石墨烯的N原子掺杂,我们可以得到一系列稳定的N原子掺杂的二维结构。其中掺杂的7-和lA-晕石墨烯是狄拉克半金属结构,而掺杂的16-和1-晕石墨烯结构则是金属结构。此外,我们将已合成的C₂N-h₂D二维晶体中的苯替换成晕苯,从而得到了一种新型二维结构coro-C₂₄N₆。虽然这种结构并不能稳定存在,但是在掺杂锂、钠、钾和铷四种碱金属原子后,coro-C₂₄N₆X₂变成了稳定的二维晕苯结构并且具有狄拉克锥特征。总之,通过对中等尺寸二维碳材料的理论研究,我们找到了一系列以晕苯为基元的二维新材料,而有些结构在掺杂处理后同样出现狄拉克锥特征。特别是,以晕苯为基本片段可能合成这些材料。因此,本论文不仅将二维碳材料的晶胞扩大到中等尺寸,也对实验合成新的二维碳材料起到重要的指导作用。