2004年,单原子层石墨结构(石墨烯)的发现推开了通往二维材料的大门。时至今日,在研究人员的不懈努力下,大量新型的类石墨烯二维材料相继被发现或合成,如六角氮化硼、二硫化钼、黑磷、硅烯等。然而,具有磁性和催化等优异特性的过渡金属因d轨道价电子的局域性而难以形成类石墨烯二维结构。本论文基于第一性原理计算,围绕过渡金属原子团簇与类石墨烯二维材料复合体系的电子结构和自旋极化输运展开了一系列研究工作。探讨了过渡金属团簇在二维材料表面的成核与生长机制,预测了多种具有不同功能的二维金属与类石墨烯复合材料。主要研究内容与结果如下:1.石墨烯支撑的具有自旋极化输运特性的Co原子链。我们提出了一种在石墨烯表面形成一维铁磁性Co原子链的途径,并研究了其自旋输运特性。基于第一性原理计算得到的团簇结构、结合能以及Co原子的迁移势垒等,我们预测石墨烯表面的线状缺陷能有效的汇聚和锚定吸附在表面的Co原子,形成尺寸和取向一致的Co原子链。进一步的研究还发现这类Co原子链表现出了稳定的铁磁性。沿着原子链轴向的电子输运表现出了较强的自旋极化特性,并且极化电流分布在两侧的石墨烯内,表明自旋极化的电子有效的注入了迁移率极高的石墨烯内。由于己有文献报道能在石墨烯上定位生长有序的“5-5-8”线状缺陷,因此该工作对未来制造基于石墨烯的二维自旋极化电路器件有实际意义。2.金属与类石墨烯二维材料复合体系(RuMoS2和FeMoS2)的原子结构和电子性质。研究发现了过渡金属Ru和Fe原子能在MoS2表面的Mo顶位形成有序的二维单原子层结构,RuMoS2和FeMoS2。这种具有原子层厚度的金属/类石墨烯复合材料具有稳定的室温铁磁性。进一步的研究还发现:RuMoS2存在着指向面外的易磁轴方向,磁各向异性能(MAE)为3.4 meV/atom。这种磁各向异性二维材料在未来的高密度存储领域将有着重要的应用前景;而FeMoS2存在奇特的铁磁半金属性,是自旋电子器件中自旋注入源的理想材料。虽然计算也表明这类金属复合二维材料的结合能低于对应的金属块材,属于亚稳态结构。但是,基于第一性原理的分子动力学模拟表明,在表面覆盖单层石墨烯或六角氮化硼的条件下,这类新型复合二维材料的结构和性质都能在室温下稳定存在,因而和已有的很多二维材料一样有着广阔的应用潜力。3.Ⅷ族过渡金属原子在MoS2表面的成核生长规律与二维面内p-n结NiMoS2-MoS2。我们研究总结了Ⅷ族过渡金属(Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt)原子在MoS2表面成核与生长的规律。通过对各类尺寸为n=6-9的金属团簇吸附结构的研究,我们发现过渡金属在MoS2表面的吸附结构大致可分为三类:颗粒型、锥台型和平铺型。不同的结构类型主要是由金属元素在MoS2表面的吸附能与金属块体本身的形成能之比来决定。其中Ni原子和MoS2表面有相对较强的吸附能,能在表面生成稳定的单层结构。Ni原子会和MoS2表面的S原子成很强的化学键,并构成特殊的NiMoS2二维结构。虽然这种结构不具备磁性,但却是一种半导体。特别引起我们注意的是,NiMoS2和MoS2的带边位置可以构成“第二类型”(“Type Ⅱ”)的匹配模式,组合在一起的异质结有利于光吸收和电子空穴的有效分离。结合上述结果,我们预测了一种以Ti为电极的面内横向p-n结NiMoS2-MoS2,可以应用于光探测器等二维光电子器件中。