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通过异质元素掺杂来调控碳、硼氮纳米材料的电子结构和输运性质是其性能调控的有效手段。本论文采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的第一性原理方法研究了掺杂的石墨烯纳米带、硼氮烯纳米带以及碳纳米管，通过分析其电子结构和输运特性，讨论了掺杂效应对上述体系电学性质的影响。
未用氢饱和的石墨烯纳米带的边缘存在边缘态和悬挂键，因此具有很大的边缘磁矩。悬挂键的存在同时使其结构很不稳定而容易发生边缘重构。对石墨烯纳米带边缘掺杂硼（氮）原子能够有效地降低（提升）体系的费米能级，并改变本征石墨烯纳米带的边缘态和悬挂键态的分布。其中，边缘掺杂氮的纳米带，带边结构稳定，边缘原子磁矩被抑制为0;而边缘掺杂硼的纳米带，边缘磁矩为0.77μB，且带边结构不稳定，易发生重构。采用氢原子饱和石墨烯边缘之后，本征的石墨烯纳米带和掺杂体系的带边都不会发生重构，表明氢钝化提高了材料体系的稳定性。
对锯齿型硼氮烯纳米带掺杂单个碳原子，杂质原子倾向于替位掺杂纳米带边缘原子，并具有0.625μB的磁矩，体系为磁性半导体。随着碳原子掺杂位置的变化，硼氮烯纳米带实现了磁性半导体→金属的转变。而边缘掺杂两个碳原子的纳米带表现为非磁性的半导体。进一步提高掺杂浓度，当碳原子替位掺杂体系的硼（氮）链时，硼氮烯纳米带转变成金属。我们发现将掺杂硼链和氮链的纳米带组成异质结，通过调整杂质碳链的空间位置可以得到具有负微分电阻效应的异质结双极器件。
对金属碳纳米管进行硼（氮）掺杂，其中同质的硼（氮）原子对的掺杂体系，其电子透射谱振荡剧烈，并且杂质原子之间距离越近，平衡电导受到的影响越大。而掺杂异质的硼-氮原子对对其平衡电导几乎没有影响，电子透射谱等效于单个硼和氮引起的透射谷的叠加。掺杂多个同类杂质的碳纳米管，其输运特性取决于杂质的分布。如果在碳纳米管横截面上对称地掺杂多个硼原子，其传导电子在费米能级附近的透射率随着杂质的增加而单调下降。
本论文的研究结果揭示了元素替代掺杂对碳和硼氮纳米材料的电学和磁学性质调制的物理机理，对设计碳基和硼氮基纳米电子器件具有指导意义。