分子器件作为下一代的电子器件吸引了众多研究人员的强烈关注,无论是理论还是实验上,都取得了许多重大的进展,但是它们还普遍存在着属性不够稳定、性能达不到实用要求以及很难在实验上精准地实现等问题。为了解决这些问题,研究人员不断的尝试着设计新的结构模型、探索新的理论机制以及采用新的构建材料等方法,进而也大大地促进了分子器件的发展。而石墨烯因其独特的物理属性和稳定的化学特性,被认为是构建分子器件的理想材料。所以,在本文的研究中,我们设计了几种基于石墨烯的分子器件,然后采用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数方法的第一性原理计算对其进行理论模拟分析,进而发现优化其性能的方法。首先,我们简要介绍了分子器件和石墨烯的研究背景以及我们所使用的第一性原理计算方法。然后,在此基础之上我们设计了由不同边缘修饰的对顶三角形石墨烯纳米片构成的分子整流器,计算分析表明当左边三角形石墨烯用非金属(金属)原子进行修饰、右边的三角形石墨烯用氢修饰时,该器件具有正向(反向)整流效应,且边缘修饰原子的非金属性或金属性越强,其整流效果越好。紧接着,我们研究石墨烯电极的带隙对给体-受体分子整流效果的影响,发现当电极为金属性时,其具有正向整流效应,而当电极是半导体性时,其整流效果会发生反转(具有反向整流特性),并且电极的带隙越大其整流效果越好,其中发现的最大整流比达到4000以上,这是目前给体-受体分子所具有的最高整流水平。另外,我们还研究了外加磁场对D-σ-A型分子整流效果的影响,发现它所处的磁场状态对其整流效果的影响很大,其中处于反铁磁状态下的最大整流比是处于铁磁状态下的4倍多。接下来,我们还设计了一种新型的掺杂碳基分子整流器,发现其具有宏观PN结所具有的应用属性,如较大的整流比、较小的阈值电压以及较宽的应用偏压范围等,且其整流比达到109～1011,这远好于PN结的105～107,即我们所设计的该分子整流器具有实用的可能性。最后,我们还探究了内部缺陷和边缘修饰对扶手型六边石墨烯纳米片的电磁特性影响,结果发现其能隙随着缺陷的不断增大而表现奇偶震荡性减小,且不同的边缘修饰也可以使其从半导体性转化为金属性,然后我们基于这些特性设计了一个场效应管和一个场控的双自旋过滤器。其中场效应管的开关比可达到105,这相对于以前的场效应管(开关比低于103)是一个很大的提升。而关于场控的双自旋过滤器,我们可以通过对门电压极性的选择来调控通过其电子的自旋方向,并可以实现几乎100%的自旋过滤。因此,我们也期待我们的理论模拟研究可以为实验上的尝试提供新的思路和一定的帮助。