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以石墨烯(graphene，G)为代表的二维薄膜材料，以其独特的物理化学特性，在柔性显示器，大规模集成电路等方面有着广阔的应用前景，在物理、化学、生物等诸多领域产生了巨大影响，成为纳米科学领域的一大研究热点。本论文的主要工作是利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了在金属表面生长的几种二维薄膜材料的几何结构及电子态特性。主要包括金属Ru(0001)和Ir(111)表面的石墨烯摩尔斑图的结构及电子态特性;几种金属原子和酞菁铁分子在G/Ru(0001)模板表面选择性生长的机理;在金属Ir(111)表面生长的硅烯和在Mg(0001)、Al(111)等五种金属表面生长的硼单层薄膜的结构和电子态特性;酞菁铁分子在Au(111)表面台阶处的自组装生长机制以及Ag(110)表面的QA16C分子单层薄膜的力学特性等。具体研究结果如下: 一、研究了在Ru(0001)和Ir(111)表面生长的两种石墨烯摩尔超结构的几何构型和电子态特性，发现在G/Ru(0001)摩尔超结构中石墨烯被分成几何结构及电子态不同的fcc、hcp和atop三个区域，其中fcc区域中的碳原子s矿杂化最强。对实验中发现的六种G/Ir(111)摩尔超结构的计算发现石墨烯具有少量空穴掺杂。除RO结构外，石墨烯结构特性受Ir(111)衬底影响较小。基于G/Ru(0001)表面各区域电子结构的差异，研究了几种金属原子与有机共轭分子两类体系在这一模板表面的吸附行为。对于与G/Ru(0001)相互作用较强的金属原子，发现G/Ru(0001)表面各区域sp3杂化强度和金属原子d轨道占据数决定金属原子选择性吸附的机制:金属原子在sp3杂化最强的fcc区域吸附能最大，而具有未满d轨道的金属原子在各区域的吸附能差异较大，较有可能形成单分散纳米团簇。根据这一机制，预言了其它金属在这一模板表面形成单分散纳米团簇的可能性。对于与G/Ru(0001)相互作用较弱的酞菁铁分子，发现了模板表面偶极局域分布不同导致酞菁铁分子选择性吸附在fcc区域的机制，并在实验中利用并五苯分子在G/Ru(0001)表面的选择性吸附验证了这一机制。 二、计算了实验中发现的金属Ir(111)表面生长的单原子层硅薄膜材料的几何结构和电子态特性，模拟的STM图与实验完全吻合。通过对电荷局域密度分布函数的分析，发现硅原子之间以共价键相联，是一种连续起伏硅烯。进一步对自由状态下该起伏硅烯能带结构的计算发现它是一种半金属材料。对于在Mg(0001)、Al(111)、Ti(0001)、Au(111)以及Ag(111)表面的三种硼单层薄膜几何结构的计算，发现六角硼单层薄膜(h-BS)在这些金属表面最稳定。随后通过对这五种金属表面h-BS电子结构的计算，发现在Mg(0001)、Al(111)和Ti(0001)三种金属表面的h-BS具有和自由状态h-BS类似的σ轨道，说明这三种金属表面的h-BS保持其二维材料的基本特性，而不是与金属衬底形成化合物。作者还发现h-BS能够退耦合芳香族分子与金属间相互作用，从而可以用作缓冲层研究芳香类分子的电子结构。 三、研究了酞菁铁分子在鱼骨型重构的Au(111)表面的选择性吸附行为，发现其在fcc区域的台阶边界吸附能最低，其次是hcp区域的台阶边界，最后是fcc平台和hcp平台，从而给出了酞菁铁分子选择性吸附的机制:fcc台阶→hcp台阶→fcc平台→hcp平台。吸附顺序与实验结果完全符合。研究了QA16C分子在Ag(110)表面形成的八种单层薄膜的几何结构。这八种自组装结构实际上对应了QA16C分子薄膜的多种拉伸/压缩状态，通过STM实验得到不同拉伸/压缩状态的精确晶格结构信息，基于该晶格结构优化分子构型得到不同拉伸/压缩状态下薄膜的能量密度，从而得到了应变能密度与应变的关系，进而得到该二维薄膜的力学性质（杨氏模量）。这一方法可以推广到具有多种组装结构的二维纳米材料力学性质的研究中。