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材料科学的主要目标是设计新材料、发现新性能以及研究材料的结构和性能的定量关系。其中，纳米材料作为材料科学的一个重要分支，不仅在纳米催化、纳米生物标记等交叉学科中发挥着重要作用，而且由于其量子效应的存在而呈现出许多奇异的物理性能。近年来，随着计算机技术以及量子力学方法的发展，计算机辅助的材料的设计和性能研究已成为材料科学的重要手段。因此，本博士论文运用量子计算的方法对低维纳米材料的结构和物性进行了研究。
本论文的内容主要包括新纳米材料的设计以及纳米材料奇异物理性能的研究两个方面，分六章展开。前面两章简要的介绍了几种一维纳米材料的结构、性能、发展现状以及计算过程中需要用到的理论方法。接下来的三章是本论文的主要部分，依次介绍如下。
第三章中，我们首先预测了一种新的纳米材料的存在，即GaN-ZnO纳米管。随后，我们对其结构和性能进行了研究。不同几何结构的GaN-ZnO纳米管都是直接带隙的材料，他们的价带顶都由N2p, O2p和Zn3d组成，导带底由Ga4s和4p组成。而且，GaN-ZnO纳米管可以被用作紫外光区的光解水的催化剂。第一性计算结果同样表明，GaN-ZnO纳米带具有较大的结合能，能够稳定存在。因此，我们同时研究了一维GaN-ZnO纳米带的电子结构和磁学性能。扶手椅型的GaN-ZnO纳米带是非磁性半导体，而锯齿型GaN-ZnO纳米带是半金属。对于锯齿型GaN-ZnO纳米带来说，其磁性起源于费米面附近的非对称的N2p，O2p，Ga2s2p和Zn3d态，且其总磁矩随着纳米带宽度的增加而减小。
第四章中，我们主要研究了CxNy纳米管的线性和二阶非线性光学性质。对于非中心对称的C3N4纳米管，我们利用态求和的方法研究了其二阶非线性光学极化率。计算结果表明，C3N4纳米管的跃迁矩被限制在管轴方向，因而其二阶非线性光学极化率可用简化的一维两态模型来描述。通过轨道和态的分析，我们发现C3N4纳米管的二阶非线性光学极化率起源于给体（氨基）受体（硝基）之间的电荷转移和组成单元庚嗪环内部电荷转移的共同结果。我们同时研究了C3N4纳米管端基取代对其二阶非线性光学极化率的影响以及其动态二阶非线性光学极化率。其次，我们研究了CN纳米管的几何结构、电子结构和介电函数性质。计算结果表明，扶手椅型纳米管比锯齿型纳米管要稳定，而且扶手椅型CN纳米管的横截面呈现出多边形结构，锯齿型CN纳米管横截面则呈现出圆形。扶手椅型和锯齿型CN纳米管都是直接带隙的半导体。介电函数和线性光学吸收直接相关，扶手椅型和锯齿型CN纳米管的介电函数虚部在低能区都有一个对应于π-π*电子跃迁的强吸收峰，而高能区都有一个很宽的对应于n-π*电子跃迁的弱吸收峰。
第五章中，我们研究了掺杂和修饰对纳米材料的性能的影响。对于Ag掺杂的ZnO纳米管，Ag原子替代Zn原子的掺杂是p型掺杂，而Ag原子吸附在空隙中的掺杂是n型掺杂。而且，相对于未掺杂的ZnO纳米管，Ag掺杂的单壁ZnO纳米管在可见光区出现了新的吸收峰，这一吸收峰对p型掺杂来说源自于Ag-4d态到Zn4s态的电子跃迁，对n型掺杂来说源自Ag5s态到Zn4s态的跃迁。对于ZnO原子簇修饰的碳纳米管，ZnO原子簇修饰的(8，0)碳纳米管呈现p型半导体的特征，而ZnO原子簇修饰的(6，0)碳纳米管为金属。CO和碳纳米管上的ZnO原子簇通过电荷转移结合在一起，由于其具有适合的吸附能和导电能力，ZnO修饰的碳纳米管是一种很好的CO传感器。对于金属修饰的石墨烯纳米带（具有平面四配位碳），计算结果表明其具有巨大的三阶非线性光学极化率和双光子吸收截面值，其非线性光学性质主要起源于端基金属原子和平面四配位碳之间的电荷转移。由于金属修饰的石墨烯纳米带的三阶非线性光学极化率非常大，其非线性光学反射率和三阶非线性光学系数的平方不再成正比关系而呈现出共振特征。金属修饰的石墨烯纳米带的三阶非线性光学性质具有很显著的尺寸效应，所以可以通过控制其尺寸的大小来调控其三阶非线性光学性能。
最后，我们在第六章中对本博士论文进行了总结和展望。首先，虽然第一性原理辅助的材料研究在材料科学中发挥了巨大的作用，然而，其计算精度和速度有待于进一步的提高。其次，本论文的工作只涉及到基本的光学和磁学性能的研究，所以今后的工作中将设计材料更多的性质。再次，本论文只是对材料微观尺度的研究，今后我们将考虑更大尺度的动力学计算来研究材料的性能。