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二维材料由于在厚度维度上的尺寸远小于另外两个维度，其表面结构、电子能级和能态密度与体相材料相比发生显著变化，从而表现出独特的物理化学性质。迈科烯作为一类新型二维材料引起越来越多的关注。本论文针对迈科烯结构稳定性及电学、力学本征物理性质等基础科学问题，以第一性原理计算和实验验证为主要研究手段，进行了系统和深入的研究。本论文试图在认识迈科烯的基础上，为二维材料理论研究提供一套通用的研究思路、方法和范例。主要研究内容和结论如下: 热力学计算表明未官能化和官能化的迈科烯都是热力学亚稳态材料。迈科烯是基于稳定结构的MAX相陶瓷，经过热力学和动力学可能的反应步骤得到的。迈科烯官能化的本质是官能团的低能轨道容纳过渡金属的d电子，即通过pd轨道杂化稳定MX片层。借助表面结构搜索算法找到O、F和OH官能团以不同比例混合的迈科烯的低能有序结构，这些结构的相对稳定性表明:O官能化的迈科烯具有最高的稳定性，其次是F和OH官能化的迈科烯。混合官能化迈科烯的吉布斯自由能与官能团的数量呈近似线性关系。官能团的空间分布倾向于最大混合化（熵最大）。官能团不仅对迈科烯稳定性起关键作用，其种类还决定迈科烯堆垛体的层间键合，进而决定堆垛次序。相邻片层以OH与O或F匹配的迈科烯层间为氢键，形成官能团头顶头的简单六方堆垛，相邻片层以O与O、F与F、O与F或者OH与OH匹配的形成相互错开的Bernal堆垛。 晶格动力学研究表明O、F和OH官能化的Ti3C2T2、Ti2CT2、Nb4C3T2迈科烯都是动力学稳定的。Nb2C和Nb2CO2也是动力学稳定的，不过Nb2CF2和Nb2C(OH)2在动力学上是不稳定的。迈科烯中晶格振动对吉布斯自由能的贡献仅为静态结合能的十分之一，因此，其基态的稳定性规律可以推广到有限温度。理论计算得到的Ti3C2T2、Ti2CT2、Nb4C3T2迈科烯拉曼散射频率和振动模式可以很好地解析实验采集的拉曼光谱，这表明这些结构的确是稳定存在的。对于Nb2CTx迈科烯，在实验中只观察到Nb2C和Nb2CO2迈科烯以及材料氧化产生的Nb2O5的拉曼散射峰，未发现Nb2CF2和Nb2C(OH)2迈科烯的拉曼散射峰。随着温度升高，原子位移量变大，振动各向异性加强，迈科烯中大多数原子垂直于片层方向的振幅比平行于片层的大，而OH中的H平行于片层的振幅却远大于垂直于片层的振幅。片层越薄的迈科烯，其原子位移量各向异性越明显。 从能带理论出发，揭示迈科烯本征电子电导的根源在于表面过渡金属未饱和的d电子。官能化通过低能轨道容纳部分表面过渡金属的电子提高了迈科烯的稳定性，同时在一定程度上降低了电子电导。OH官能化的迈科烯具有超低的电子功函数。通过单层、两层和多层迈科烯的电子结构的对比，发现层间结合对迈科烯电子结构影响较小，堆垛体仍然具有二维导电特性。电荷密度分布显示层间存在电荷密度匮乏区。能带和费米面分析预测迈科烯具有导电各向异性。单颗粒迈科烯堆垛体本征电学性质的原位测量证实片层内的电导率是垂直于片层方向的电导率的十倍以上。 从面内刚度和面外抗弯刚度两方面系统评价了单层迈科烯的本征力学性质。通过计算弹性应变下的势能面，拟合得到弹性常数，最后通过弹性常数计算得到面内刚度。官能化会增加迈科烯的面内刚度。面内刚度与片层厚度成正相关关系。横向对比相同片层厚度的Ti2CT2和Nb2CT2迈科烯的面内刚度，发现Nb2C和Nb2CO2的面内刚度均比Ti2C和Ti2CO2的大。单层迈科烯的面外抗弯刚度比单层石墨烯的高一到两个数量级，其主要原因是迈科烯由几个原子层厚的片层构成，而石墨烯只有一层原子层厚。单层迈科烯的面外抗弯刚度与两层或三层石墨烯的面外抗弯刚度相当。尽管层间耦合是经典层状材料石墨和MoS2的层间结合的2-6倍，但层间仍然是迈科烯堆垛结构中结合最弱的部位。沿垂直于片层方向拉伸时，层间是断裂的位置。 含单碳空位的迈科烯可以稳定存在。碳空位不仅能够提高迈科烯的导电性，还能降低其面内刚度，有利于在柔性电子器件的应用。碳空位提供了除改变过渡金属元素、片层厚度或表面官能团之外的一种调控物理化学性能的有效手段。H、N、O、F等元素可以掺杂到迈科烯中碳空位的位置，但是Li、Na、Mg却不能，Si只有以原子作为参考时可以掺杂到碳的位置。向Ti2CO2迈科烯中掺杂Li、Na、Mg、Si会导致结构的破坏。掺杂原子的尺寸和电负性对能否掺杂起到决定作用。在碳空位掺杂比置换晶格碳掺杂更容易，这为不能进行置换掺杂的原子的掺杂提供了可能。掺杂是一种有效调控迈科烯电子结构的方法。