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具备高硬度、高熔点、耐腐蚀、兼备导电性、磁性、超导等优异性能的硬质多功能材料,具有广泛的应用前景,尤其是在极端使役条件下,具有不可替代的作用。然而,制备此类硬质多功能材料十分困难。如硬度特性与导电性为材料中两个相互制约的性质。超高硬度的超硬材料多为绝缘体或半导体,而高导电性的物质硬度值普遍偏低。这是因为引起高硬度的局域电子和产生导电性的自由电子为结构中电子的两种相互抵制的状态,难以同时存在于同一种物质中。如何在同一物质结构中构建高密度的局域电子,以及丰富的自由电子,是探究导电-高硬度/超硬材料的一大挑战。过渡金属轻元素化合物（TMLEs）,由于金属元素的高自由电子密度,轻元素共价键网格中的大量局域电子,是制备硬质多功能材料宝库。一般而言,在TMLEs中,高轻元素配比的化合物,具有更高的硬度;而低轻元素配比的化合物硬度低、显示优异的导电性。但硬度和导电性能与轻元素配比并非单调变化,存在诸多的争议。此外,关于TMLEs中的高硬度和优异导电性的来源,亦是另外一个争论的焦点,尤其是在极高和极低轻元素配比的化合物中。因此,研究TMLEs中高硬度和导电性起源的物理机制,不仅具有重要的科学意义,还具有很强的应用价值,带来可观的经济效益。本论文以极高和极低轻元素化合物配比的两种不同TMLEs为研究对象,期以高金属含量保证高导电性,再提高其硬度;拟以高共价键含量保证高硬度,在寻找其导电机制,最终探究高硬度导电起源的物理机制。其中第一种以铁金属为骨架,渗入孤立的氮原子,形成ε-Fe2N。利用铁基骨架实现导电性,通过氮原子与金属原子成键实现硬度增强。第二种以轻元素B三维骨架结构为基础,引入金属Zr,探究高硼含量ZrB12的电荷局域与自由电子的导电通道之间的内在关联。论文得到的创新性研究结果如下:一、在高温高压的条件下制备出ε-Fe2N块体材料,并确定了其晶体结构,得到了其磁学等物性参数。在压力5 GPa、温度1073 K条件下成功制备出单一相ε-Fe2N,利用粉末X射线衍射结果并结合结构精修,确认其空间群为P312。在ε-Fe2N晶体结构中,氮占据结构中1a、1d和1e三个位置,六个铁原子构成八面体,氮原子位于八面体中心形成N-Fe6八面体结构。热重差热分析结果表明:ε-Fe2N的分解温度约为670 K,在920 K左右完全分解,其分解过程是一个从高氮相向低氮相转变的过程。磁化率与磁化强度测量表明:ε-Fe2N的居里温度（Tc）约为250 K,有效磁矩(μeff)约为5.16μB,ε-Fe2N在2 K时的饱和磁化强度（Ms）约为1.2μB。二、利用维氏硬度测试和低温电学测试,从实验上证实ε-Fe2N是具有金属导电行为的高硬度物质;并利用第一性原理计算分析,从理论上给出了氮的引入对铁基结构硬度提升和导电性下降的物理机制。维氏硬度测试结果表明:ε-Fe2N的维氏硬度值为7 GPa,与铁单质4 GPa的硬度值相比提高75%。即在铁基结构中氮的引入可以大幅度提高Fe基结构的硬度。电荷局域函数计算显示:氮原子在ε-Fe2N结构中没有形成N-N共价键,与铁原子之间形成了离子性化学键;此外氮原子的引入提高了ε-Fe2N结构的抗压缩性,从而提高了ε-Fe2N的硬度。电输运测试结果表明:ε-Fe2N表现出金属导电行为。ε-Fe2N的室温电阻率为172μΩ·cm,相比于单质铁9.78μΩ·cm的电阻率提高了两个数量级。电子能带结构计算显示:其导电态全部为铁的3d电子所贡献,这一点与铁单质相似。但Fe-N之间的成键作用影响了Fe-3d轨道贡献出来的自由电子含量,导致了ε-Fe2N导电性能的降低。三、利用低温电学测量和硬度表征手段,证实高硬度的ZrB12展现出优异的金属导电行为,并理论分析了产生高硬度的原因。电输运和塞贝克系数测试表明:ZrB12的电阻率随温度的降低而降低,表现出金属导电行为。其室温电阻率达到了18μΩ·cm,可以与Pt相媲美。室温条件下ZrB12的塞贝克系数为2.0μV·K-1,这一结果可以与金属Cu和Pt相比,同样反映了ZrB12作为金属导体所具有的出色的电输运行为。维氏硬度测试结果显示:ZrB12的硬度约为26 GPa,为少数超过25 GPa硬度的高硬度TMLEs。其高硬度主要源自于高对称性的B-B三维共价键网络。应力应变关系计算显示:在ZrB12晶体结构中硼笼结构的塑性变形是通过其周围的B-B共价键网络的重构来实现的,这使得ZrB12具有较强的抵抗剪切塑性的能力,从而表现出高硬度。四、通过第一性原理计算分析,发现在ZrB12三维共价网络结构中形成自由电子导电通道,解释了在高硼化合物ZrB12中具有优异导电性的物理机制。电子能带结构计算显示:在费米面处的电子态密度不为零,导电性的贡献来源于B原子的2p电子与Zr原子的4d电子。ZrB12晶体结构实空间上能带分解电荷密度的空间分布显示:在ZrB12中大量的B-B共价网络除了形成局域σ键以外,还有部分电子可以形成离域π键,Zr的4d电子通过与B-B离域π键的叠加,在B-B三维共价网络中形成d-π-d桥式结构的离域导电通道,通过B-B离域π键实现了价电子的迁移,使ZrB12表现出异常优越的导电性。因此,ZrB12中形成了局域σ键与离域π键共存的状态,实现了高硬度与优异导电性的兼容。综上可得,少量轻元素与金属元素的成键作用,可有效提升化合物的硬度,但导致自由电荷数量下降,降低了金属固有的导电性;而在部分高轻元素含量的TMLEs中,通过金属与轻元素之间的电荷转移和轨道重叠,可以在保留σ共价键的同时,形成含有电子通道的三维共价结构,最终实现局域电子和自由电子共存,在材料中同时表现出高硬度和优异导电性。本工作对设计新型高硬度多功能材料提供了一种新的思路。