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二维半导体材料包括石墨烯和过渡金属二硫族化合物由于具有优良的物理光电性能而受到广泛关注。诸多优异的光电性能包括较高的载流子迁移率、可弯曲性、完全透光性、良好的场效应和光敏气敏性能等使得这些二维半导体材料在未来的光电子领域中具有广阔的应用前景。近年来，由不同二维半导体材料叠加而成的范德瓦尔斯异质结也逐渐成为人们的研究热点，他们层间由弱范德瓦尔斯作用结合，能带带阶通常为Ⅱ型结构，除了具有单一组分的光电性质之外，还可以表现出异质结独特的物理性能和器件功能。本论文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统研究了多种二维半导体材料及范德瓦尔斯异质结的物理结构与光电性能，并探索了多种外界条件对它们的电子结构的影响，进一步预测了它们在光电子器件中的应用价值，主要内容和结果如下: 1.研究了Ⅲ-Ⅵ族(GaS，GaSe，GaTe)、Ⅳ-Ⅵ族(GeS，GeSe，SnS，SnSe)二维半导体的单层结构的力学性质、电子性质与光学性质，并考虑了外加平面内应变对它们的电子结构的影响。计算结果表明外加面内应力可以很好的调控它们的带隙，从而影响它们的导电性能。不同方向的平面内应力对Ⅲ-Ⅵ族半导体材料的电子结构的影响基本相同，而Ⅳ-Ⅵ族半导体材料则表现出各向异性的力学性质。由于Ⅳ-Ⅵ族半导体材料结构的各向异性，导致它们的电子性质对不同方向的面内应变的响应也不同，a方向的外加应变可以更有效地调制它们的电子结构。另一方面，面内应变还会影响这些单层材料的载流子的有效质量。光学性质的计算结果表明单层Ⅳ-Ⅵ族半导体材料表现出很强的光学各向异性。 2.采用第一性原理计算了黑磷(black phosphorus，BP)/MoS2异质结的电子结构以及外加电场与垂直应变对其电子结构的调控。结算结果表明Ⅱ型带阶的BP/MoS2范德瓦尔斯异质结中电子-空穴对会发生自发的空间分离，表现出优良的光电性能。垂直电场与垂直应变对BP/MoS2异质结的电子结构具有很好的调控作用，在强电场或较大压缩应变下均可以观察到BP/MoS2由半导体向金属的转变，层间相互作用也随着电场强度与垂直压缩应变的增加而逐渐增强。此外，垂直电场可以改变异质结的带阶类型;垂直压缩应变对异质结的载流子的有效质量也有调控作用。 3.采用第一性原理方法研究了黑磷/蓝磷异质结的电子结构以及外加垂直电场对其电子性质的调控。计算结果显示，黑磷/蓝磷为Ⅱ型带阶的异质结，并且为直接带隙半导体，因此，低能载流子会发生自发的空间分离。外加垂直电场可以很明显地调控黑磷/蓝磷异质结的电子性质，强电场可以导致其由半导体转变为金属。结果表明外电势与电场强度的线性变化关系导致异质结的能带带边与带隙随电场强度大致呈线性变化。根据我们的结果，黑磷/蓝磷异质结可以在纳米电子器件与光电子器中有很好的潜在应用价值。 4.研究了一系列由SnS2与其他二维材料组成的范德瓦尔斯异质结的电子结构在外加垂直电场E⊥下的变化情况。计算结果显示，这些范德瓦尔斯异质结中均可以观察到线性巨斯塔克效应，其异质结的带隙随E⊥大致呈线性变化。从静电势对带边与费米能级的影响出发，阐述了范德瓦尔斯异质结中线性巨斯塔克效应的起源。进一步的研究表明线性巨斯塔克系数的大小受层间距离与转移电荷量影响。带边随电场强度的变化呈大致的线性关系，而高阶的非线性变化是由层间电荷转移引起的库仑相互作用以及各层的电荷密度在电场下的再分布导致的。 5.探索了MoSe2单层与多种不同的金属单质接触的费米能级钉扎现象。由于低表面态密度，MoSe2/metal体系表现出部分费米能级钉扎行为。通过选用不同功函数的金属可以调节电子与空穴的肖特基势垒高度。s电子金属与d电子金属与单层MoSe2接触表现出相同程度的费米能级钉扎，即使我们的计算结果显示d电子金属对MoSe2单层的吸附作用更强。我们试图通过在MoSe2与金属之间插入一层2D金属以解除体系的费米能级钉扎，结果表明，插入VS2层并不能有效降低MoSe2的表面态密度，只是由于层间距离的增大，MoSe2与金属之间的相互作用变弱。惰性层的插入并不能有效降低体系的费米能级钉扎程度。此外，我们探究了实验中导致MoSe2/metal体系中强费米能级钉扎的原因。研究了具有代表性的三种缺陷与杂质对MoSe2单层电子结构的影响，并进一步研究了这三种缺陷与杂质在MoSe2/metal体系的界面性质中所扮演的角色。计算结果表明，AsSe与BrSe会对MoSe2层中引入额外的空穴与电子，从而使MoSe2分别呈现出p型导电与n型导电。Se空位会在MoSe2层的带隙中靠近带边的位置引入缺陷能级，具有Se空位的MoSe2更趋向于成为n型导电材料。另外，BrSe-MoSe2/metal、AsSe-MoSe2/metal可以小程度地提高MoSe2的表面态密度，因此表现出比MoSe2/metal略强的费米能级钉扎。二维半导体材料中缺陷的存在时导致强费米能级钉扎的主要原因。