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最近一种sp、sp2和sp3三种杂化而成的单原子层结构的二维碳同素异形体石墨炔薄膜已通过化学方法被科研工作者合成出来。石墨炔被人们视为是人工合成的最为稳定的一种碳同素异形体。石墨炔的电子结构非常特殊，并且具有与硅相似的优异半导体性质，这使得石墨炔在半导体、电子、光电转换以及材料等领域具有极大的应用潜力。由于良好的理论意义和商业价值，场发射特性研究越来越受到人们的关注并逐步成为热点研究领域。到目前为止，针对石墨烯复合材料场发射性能研究已经获得了较大突破。因此，我们希望优异场发射特性能够同样存在于石墨炔基复合材料中。然而，人们目前仅对两端开口石墨炔纳米管场发射特性有所研究，对于二维石墨炔及其复合材料研究仍是空白。为此本论文主要开展以下几点研究: (1)运用第一性原理密度泛函理论，首先建立了石墨炔-氧化锌复合材料，并对其场发射特性进行了原子尺度的模拟计算研究。在不同电场下，对复合材料的结合能、功函数、离化能进行计算，并对HOMO-LUMO能级移动，局部电子密度分布、Hirshfeld电荷分布进行分析。研究中，石墨炔-氧化锌复合结构的结合能在电场松弛作用下的变化趋势将直接说明整体结构稳定性。同时，功函数和离化能随着电场增加的变化规律也将直接反映出场发射性能的优劣。随着施加电场的不断增大，HOMO和LUMO能级规律性变化，并且HOMO与LUMO之间的带隙不断减小。更重要的是复合材料LUMO电子态一开始就呈现出局域电子态，这些电子态对场发射特性具有积极的影响。此外Hirshfeld电荷在电场作用下的规则移动也进一步说明了此复合结构的优异场发射性能。 (2)将氮化硼团簇建立于石墨炔纳米盘之上，形成石墨炔-氮化硼复合结构，同样采用第一性原理密度泛函理论，本文对此复合材料的场发射特性进行原子尺度研究。在不同电场下，对此复合材料的结合能、功函数、离化能进行计算，并对HOMO-LUMO能级移动，局部电子密度分布、Mulliken电荷分布进行分析。同样发现HOMO和LUMO能级在外加电场的作用下规律性移动，而且HOMO-LUMO带隙随电场的增大而不断减小。我们发现施加电场从0.3 V/(A)开始，LUMO电子态开始聚集在氮化硼顶端，形成局域态，并且此时结合能增大趋势、带隙减小趋势明显增强。 (3)构建石墨炔-富勒烯新型复合材料，通过密度泛函理论针对其电子结构和场发射性能进行深入研究。通过计算不同电场下的结合能、轨道能级、场发射电流、功函数、离化能和Mulliken电荷分布来揭示此复合材料的场发射机理。相比于碳纳米管此复合材料具有更大的场发射电流，各种结果显示石墨炔-富勒烯复合材料能够成为场发射电子源的潜在替代品。 (4)为进一步探索潜在的场发射材料，本文提出了一种新的碳纳米材料—一端封闭石墨炔纳米管。通过计算其结合能、振动频率、运动稳定性来论证其存在的可能性，并初步研究其电子结构以论证其潜在的场发射特性。研究结果表明:此结构具有较高的结合能，没有虚频的出现，同时具有较高的运动稳定性。此外，我们通过带隙在电场增大作用下的变化趋势和不同电场下的功函数和离化能的数值来直接评估其场发射性能。