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低维磁性材料是最近兴起的一个研究热点,其中蕴藏着巨大的机遇和挑战。与多数范德华材料不同,MXenes是从非范德华MAX母相通过离子层刻蚀获得,其化学式是Mn+1XnTx。其中金属元素M多为非磁性元素,如Sc或Ta,X为C或者N,Tx为表面官能团。表面官能团不仅影响其亲水性、离子吸附以及扩散等化学性能,同时还会影响其电子结构和磁性。MXene以及由其结构框架衍生出的MXene基材料的磁性、铁电性以及多铁性同样也具有极高的研究和应用价值,但是目前该方面的相关研究报道仍较为有限。近期,研究者们通过对金属元素的部分有序取代,设计了一个新分支i-MXene,即将1/3的M元素替换为磁性金属元素。i-MXene的预测为二维磁性乃至多铁性材料设计与制备提供了新的思路。同时,作为新的磁性i-MAX相的材料,其官能团修饰对于i-MAX材料的电子结构、电导率、稳定性、磁性以及多铁性的具体研究至今很少有人报道。另一方面,气体传感器在监测空气质量、运输和食品安全等方面的广泛应用,越来越受到科技界及工业界的关注。大量的具有不同工作机理的气体传感器已被研制出来。例如,目前最流行的电阻式气体传感器的工作机理是通过吸附气体分子而使传感材料的电阻率或电导率发生变化。因此,当它们应用于气敏材料后不仅仅可以提高其选择性,稳定性。还有望降低其工作温度并缩短响应时间。目前已知铟基的三维材料在气敏方面表现非常优越。而二维铟基材料的气敏性研究非常稀少,我们对二维铟基材料的气敏性展开了研究。综上所述,我们展开对MXene基及铟基二维材料功能性理论研究,具体分为以下三个方面。（1）我们预测了磁性i-MXene相材料的一个成员,(Ta2/3Fe1/3)2CO2的多铁性。目前实验和理论上研究主要集中于磁性i-MAX相的材料,但是对于官能团吸附的磁性i-MXenes相的性质很少有人具体研究。由于吸附官能团后磁性i-MAX的结构和性质会发生很大的变化,因此,详细研究磁性i-MXenes的性质对实验具有指导意义。基于密度泛函理论计算及蒙特卡洛模拟,我们预测MXenes的衍生物i-MXenes的一个成员,(Ta2/3Fe1/3)2CO2,为Ⅰ型多铁材料。(Ta2/3Fe1/3)2CO2的铁电性起源于传统的5d~0规则,其铁电性质优越,在a轴方向具有约12.33μC/cm~2极化强度,并且具有极小的翻转势垒,同时,这个铁电极化可以保持在室温以上。其次,(Ta2/3Fe1/3)2CO2的磁基态为层状反铁磁基态。尽管(Ta2/3Fe1/3)2CO2是Ⅰ型多铁性,但通过顺电相-铁电相的转变可以使得其奈尔温度发生显著变化,这使得它表现出一种独特的强磁电耦合。我们的工作不仅揭示了(Ta2/3Fe1/3)2CO2中非平庸的磁电机制,而且为在二维极限下寻找多铁材料提供了一种新的思路。（2）我们设计了新的反铁磁异质结CrCl3/[Mo2C（-O）]2,并预测其奈尔温度在应变作用下的变化。一般来说,二维范德华材料中的层内原子结合很强,层间相互作用较弱。这种结构特征使得其拥有饱和的解离面和易修饰性。因此,我们可以通过异质结的方式改善材料的物理或者化学性能。我们利用MAX相材料的高度还原性来构建MAX/铁磁材料异质结,通过电子掺杂的方式来调控本征磁性材料的磁耦合。基于此,利用第一性原理计算和蒙特卡罗模拟,我们预测了一个二维反铁磁异质结:CrCl3/[Mo2C（-O）]2。即CrCl3堆垛在Mo2C上面,并在远离异质结界面的Mo2C表面吸附一层氧原子。在CrCl3/[Mo2C（-O）]2异质结中,由Mo2C转移的电子将会占据Cr的t2g轨道,这将会增强Cr-Cr原子间的铁磁耦合,但是当氧原子吸附在Mo2C上以后,异质结的晶格发生变化,使Cr-Cl键长增加,Cr-Cr键缩短,超交换作用被减弱。CrCl3的铁磁磁序将变为反铁磁磁序。更有趣的是,在双轴压应变作用下,由于Cr-Cr的键长更进一步缩短,其直接交换作用增强,CrCl3/（Mo2C-O）2的奈尔温度得以显著提高,可以增大到146 K。反铁磁异质结可用于自旋逻辑器件、超快磁动力器件和新一代计算机设备的信息存储设备。（3）二维InX（X=Cl,B,I）单层材料的二氧化氮和二氧化硫气敏特性研究。二维铟基材料的气敏性研究非常稀少。目前已知三维铟基材料在气敏方面表现非常优越,例如In2O3对于臭氧有气敏性而In OCl对于甲醛有气敏性。目前,铟基材料已经被应用于检测硫化氢、氯气、二氧化氮等毒性气体。目前我们将其拓展到二维领域。基于密度泛函理论的计算预测了InX（X=Cl,Br和I）单层二维材料的二氧化氮和二氧化硫气敏特性。纯净的InX对二氧化氮吸附能力比二氧化硫更强,但对二氧化氮吸附后的恢复时间较长。研究表明双轴应力可以有效缩短恢复时间。因此,双轴应力作用下的InX是检测二氧化氮气体的良好材料。此外,通过引入In空位可以显著提高InX对二氧化硫气体分子的检测灵敏度。