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本论文基于密度泛函理论的第一性原理计算和分子动力学模拟，主要研究半导体表而金属（合金）纳米结构的生长与调控，氧化物和氮化物宽带隙半导体材料的掺杂特性，同时探讨新型低维纳米材料在能源和环境方而的应用。 第一:半导体Si(111)-√3×√3-Pb表面上合金纳米结构的生长与调控，主要发现在沉积Au原子过程巾存在多相共存。尽管三维(3D)的Au四面体结构比2D的Au平而四边形结构能量低，但从初始阶段生长动力学过程看，在成核长大过程中形成Au四而体结构的能量势垒较高，因而有利于形成2D的Au平而四边形结构。同时发现相对论效应对半导体Si(111)表而上PbAu合金纳米结构形状的影响较小，控制纳米结构形状的主导因素是动力学。基于动力学因素对半导体/金属纳米结构的重要影响，我们进而发现在非对称氢化的石墨烯纳米带上产生两个不同的势能边界，然后吸附过渡金属原子，会在势能较低的边界边上自纽装形成1D的过渡金属Ti量子线。Ti量子线具有自旋依赖的输运特性。 第二:TCOs氧化物半导体掺杂机制的研究，发现更共价性的氧化物如SnO2，共CBM态含有较小成份的阴离子s态，因此在阴离子点掺杂对CBM的扰动较小。但更离子性的氧化物如ZnO，其CBM态含有较大成份的阴离子s态，因此在阳离子点掺杂对CBM态的扰动较小，解释了实验上一直困惑TCOs氧化物半导体的掺杂点选择问题，还发现在生长过长巾贫氧条件是最有利的。此外，ZnO纳米线的p-型掺杂困难也可以通过掺杂补偿施主受主的方法克服，但不同于体性质的补偿掺杂，因为局域的金属d态受量子限域效应影响较小因而离化能较大，所以需要选择非局域d态的金属原子进行补偿掺杂。在宽带隙氮化物半导体中，InxGa1-xN合金在In成份较高时很难进行p-型掺杂，结合特殊准随机结构(SQS)，发现原因在于In四而体中心存在N空位(VN)，VN的存在使合金中存在较高的电子浓度，并且此电子浓度在高浓度In成份的InxGa1-xN合金中趋于恒定;还发现通常认为的间隙H和替代H不会产生此现象，解释了实验现象。 第三:探讨了新型低维半导体纳米材料在清洁能源，催化上的应用研究。通过对2D单层纳米结构用金属原子修饰并保证金属原子不发生团簇:如Ca修饰的石墨炔(graphyne)具有氢气储存功能，Au修饰的硅烯(silicene)可以用来催化氧化CO。这种体系的优势在于避免先前遇到的Ca原子在石墨烯上容易发生团簇而不利于氢气储存，Au催化剂需要用石墨烯上的C空位缺陷来束缚氧化CO。