近些年来,二维材料一直是物理、化学以及材料科学领域的研究热点,其独特的晶体结构以及优良的光、电、机械、热力学、以及磁性质等吸引了众多研究者的兴趣。2004年,具有特殊结构和性质的石墨烯被成功剥离,这激起了人们对二维纳米材料的研究兴趣。后来,人们陆续发现了更多具有与石墨烯类似结构且功能更加丰富多样的新型二维材料,如黑磷、过渡金属硫化物、过渡金属卤化物、六角氮化硼、金属有机框架等,它们的出现壮大了二维材料家族。这类材料因其独特的结构而具有优良的物理、化学特性,并且材料数量众多,性能丰富,这使我们可以选择特定的材料以满足特定的需求。二维材料在电子、光电子、传感器、催化、气体分离、能量存储和转换以及生物医学等领域的应用已经得到了广泛的探索。此外,人们发现可以将二维材料堆叠形成各种各样的异质结,即范德瓦尔斯异质结构,通过构建异质结不仅可以获得更加丰富的晶体结构,而且可以使材料的电子、光学、热力学以及磁性质等得到优化。构建异质将有助于器件更好的发挥作用,它们为新型低维纳米器件的制造以及应用带来了崭新的机会,与异质结相关的包括隧穿晶体管、信息存储设备、光电探测器以及光伏器件等已经引起了人们的广泛关注。一直以来,人们主要致力于对二维材料电子的电荷和自旋自由度的研究,基于此,大量的电荷和自旋器件被制造出来,这极大的促进了信息技术的发展。随着研究的不断深入,人们发现了一种新型自由度,即,能谷自由度。这种自由度也可以容易被探测和极化。对能谷自由度的研究催生了能谷电子学,能谷电子学的相关研究主要是利用能谷自由度来编码和处理信息。目前研究最多的能谷材料是过渡金属硫化物,它们具有直接带隙和反演对称性破缺的结构且布里渊区有一系列简并的能谷。由于时间反演对称性的要求,通过一些外在条件,可以使过渡金属硫化物的布洛赫电子具有非零的贝里曲率和轨道磁矩,从而产生了谷霍尔效应。目前来说,实现对能谷自由度的合理应用最重要的是打破能谷简并获得谷极化。尽管谷极化可以通过光学、电学以及磁学等手段来实现,但数值普遍较小,而且影响谷极化的各种因素以及谷极化的物理机制仍不明确。因此,寻找合适的能谷材料且获得稳定较大的谷极化以及对其进行有效调控仍旧是谷电子学的研究重点。本论文利用第一性原理计算方法,对二维材料的电子结构、光学、自旋和能谷极化性质进行了系统的研究。我们发现二维材料的电子结构和光学性质可以通过引入缺陷进行有效调控。另外,掺杂或吸附过渡金属原子可以使二维材料产生磁性,获得自旋极化,而且材料可以同时保持半导体和铁磁性质,形成稀磁半导体。此外,掺杂和吸附磁性原子以及搭建磁性范德华异质结可以使二维材料获得较大的能谷极化,并且通过施加应力可以对材料的电子结构和能谷极化性质进行有效调控。本论文的具体研究内容如下:1.研究了缺陷对单层PdSe_2光学性质的影响。PdSe_2是和MoS_2结构不同的一种特殊的二维材料,它具有罕见的五边形结构,而且结构稳定,具有合适的可调带隙以及良好的光吸收性质。通过引入Pd或Se缺陷,单层PdSe_2电子结构会发生明显的变化,如带隙减小,且带隙中出现中间态。材料的光学性质与电子结构直接相关,引入缺陷后,PdSe_2的光学常数包括介电常数、吸收光谱、折射率、反射率和电子能量损失谱等都发生了明显的变化。尤其是,PdSe_2的光吸收区域变宽,这将有助于PdSe_2在光电子器件中的应用。此外,不同缺陷会导致能量损失谱出现不同的特征峰,这种差异可用来进行鉴别不同的缺陷类型。2.研究了掺杂过渡金属原子对PdSe_2自旋极化性质的影响。PdSe_2具有较强的自旋-轨道耦合作用以及合适的带隙,这为它在自旋电子学中的应用提供了良好的条件。通过掺杂各种过渡金属原子(Cr,Mn,Fe,Co和Ni),PdSe_2体系的电子结构会发生明显的变化,如体系的带隙减小,且出现杂质能级。同时,掺杂原子与PdSe_2体系之间会产生电荷转移,电荷重新分配,掺杂原子与PdSe_2原子之间发生轨道杂化,导致了新的自旋极化态的出现。掺杂不同的原子,体系会表现出不同程度的自旋极化,其中掺杂Cr原子发生的电荷转移最多,PdSe_2获得的自旋极化最稳定,此体系同时还保留了半导体性质和铁磁性质,这说明过渡金属掺杂的二维PdSe_2有望用于电子自旋相关器件。对五边形PdSe_2光电及自旋极化性质的研究为新兴低对称性结构二维材料的研究拓展了思路。3.研究了二维JanusWSSe掺杂和吸附过渡金属原子的能谷极化性质。我们发现,掺杂过渡金属原子(Ti,V,Cr,Mn,Fe和Co)会使WSSe体系的电子结构产生明显的变化,体系会出现自旋极化。在考虑自旋轨道耦合的情况下,掺杂V原子能使WSSe获得最大的能谷极化,而掺杂其它原子引入的杂质能级会与WSSe的能谷发生杂化,破坏能谷的完整性。另外,WSSe具有S和Se两个不同的表面,因此我们对比了过渡金属原子Cr吸附在两个不同表面时的情况,发现吸附在S表面时Cr原子与WSSe相互作用较强,此时Cr原子会对WSSe的谷极化产生抑制作用,不利于谷极化的产生,而Cr原子吸附在Se表面时可以产生较大且稳定的能谷极化。4.研究了双轴应力对掺杂过渡金属原子WTe_2能谷极化性质的影响。研究发现,掺杂过渡金属原子(Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co和Ni)使得WTe_2体系的电子结构发生明显的变化,体系出现自旋极化。而且,在考虑自旋轨道耦合作用时,掺杂Co原子可以使WTe_2获得较大且最稳定的能谷极化。另外,我们发现掺杂WTe_2体系的电子结构以及能谷极化性质对应力十分敏感。应力可以有效调节掺杂WTe_2的带隙,使其在直接和间接带隙之间转换。另外,在适当的应力范围之内,拉力增大会导致谷极化的增大,压力增大会导致谷极化的减小。此外,在拉力作用下,掺杂WTe_2价带和导带可以同时获得较大的谷极化,此时在外电场的作用下,注入体系的电荷和空穴可以形成两路方向相反的谷电流。基于此,我们设计了一种高效率且低能耗的新型能谷霍尔器件。5.研究了磁性基底CrI_3和极性以及非极性TiXY(X=Br/I,Y=Br/I)材料所构成范德华异质结的谷极化性质和磁-光特性。二维JanusTiXY材料中由于X和Y原子的电负性不同,导致电荷分布不均匀,因此JanusTiXY具有内禀极性,这对TiXY/CrI_3异质结的谷极化性质具有很好的调控作用。为了正确处理多体效应,我们同时采用了第一性原理计算和求解贝塞尔方程的方法。研究发现,对于所有的堆叠方式,TiXY/CrI_3异质结均具有Type-III型能带排列,这使得两层体系之间产生较大的电荷转移,导致TiXY体系产生了相当大的磁近邻效应以及巨大的谷极化。而且,TiXY晶体结构的极性和不同的堆叠方式对磁近邻效应和谷极化具有良好的调节作用。有趣的是,这种巨大的磁邻近效应可以驱动TiBrI体系K和K′点附近自旋向上和自旋向下态的转换,这种现象不仅发生在导带还发生在价带。基态自旋态的转换将会导致激子特征的变化,如暗激子变为亮激子,这对二维光电子器件的制备及应用有重要的意义。此外,基于TiXY/CrI_3异质结有望得到一种新型自旋场效应管以及自旋阀。通过对几种二维材料的光学,电子结构,自旋极化和能谷极化性质进行第一性原理计算,我们不仅从理论上预测了二维材料的优良性质,并通过各种手段对这些性质进行了有效调控。引入缺陷使得材料的带隙中出现中间态,这直接导致光吸收范围变宽。掺杂和吸附磁性原子能够使二维材料获得自旋极化,而且材料可以同时保持半导体和磁性质。不仅如此,掺杂和吸附磁性原子以及构建范德华磁性异质结可以使二维材料获得谷极化。本论文的研究成果将为二维材料的相关研究提供一定的理论帮助。