材料中的电荷分布与其光学和催化等性能密切相关,很多现象需要用电荷分布来解释,故对材料中的电荷分布进行系统、定量的表述是一项很有必要、很有意义的工作。我们以碳为研究体系,因为碳具有丰富的同素异形体,其出色的性能已在半导体、能源储存及生物医学等领域呈现出很好的应用前景。碳同素异形体的出色性能和潜在应用很大程度上显示了其独特的科学和技术重要性。本学位论文基于第一性原理和半经验分子轨道计算法研究了碳同素异形体（0D到3D）的电荷分布不均匀性,并分析了碳材料中原子电荷转移的特点;研究了边缘形状和尺寸大小对石墨烯局部原子电荷的影响;研究了石墨相氮化碳g-CxNy纳米片的电荷分布规律,并讨论尺寸大小和形貌对电荷分布规律的影响。论文工作对于理解利用单原子间的电荷转移来重塑纳米颗粒的电子结构,促进纳米材料的光学、催化等性能的应用有积极意义。本文主要结果简述如下:（1）采用第一性原理计算方法,系统研究了不同维度（0D到3D）碳材料的原子电荷分布。计算结果表明:当碳中的一个原子与其附近的另一个原子相比具有不同的周围环境（键的数量、键长和键角）时,则它们往往产生电子转移呈现出非零电荷;在低维碳中,当原子周围环境相同时,原子电荷转移量对其所处的位置（端部、边缘或表面）有很强的依赖性;根据密里根布局总体分析得出碳的化合价不为零,在-0.12e至0.13e范围内。（2）利用半经验分子轨道方法研究了不同形态的石墨烯片中的局部电荷分布,系统地分析了尺寸和边缘形状对原子电荷的影响。整体来看,石墨烯电荷分布的对称性与其结构对称性息息相关。锯齿形边缘的双键原子都失去电子显示正电荷,在+0.19～+0.65e之间变化,且电荷转移量与键角的大小密切相关,当原子的键角约为116°时,电荷转移量为最小（+0.11～0.12e）,当键角约为148°时,电荷转移量最大,达到+0.65e;而扶手椅形边缘的双键原子的电荷值随着三角形面积的增大逐渐递增,面积足够大时（约0.6770?2）,原子电荷从负电荷向正电荷转变;边缘位置的三键原子的电荷受其周围三个键长的标准偏差的影响,同时还受原子位置（扶手椅或锯齿形边缘）的影响。（3）采用半经验分子轨道方法研究了环[18]碳和前驱体氧化物(C20O2、C22O4和C24O6)分子在独立自由状态下的电子结构和电荷分布,以及将其置于NaCl（001）表面上的移动势垒和电荷重新分布。环[18]碳的HOMO电子主要集中于三键,且主要分布在环[18]碳半环的原子内外位置,LUMO电子主要集中于单键,且主要分布在碳环原子的上下表面;环[18]碳和环碳氧化物与Na Cl表面之间的相互作用非常弱,小分子沿不同方向的移动势垒是不同的,其中环[18]碳沿x方向的移动势垒最小,为0.023e V每碳原子;独立自由的环[18]碳中每个C原子的电荷是中性的,当环[18]碳被放置在Na Cl表面时,环碳中每个C原子的电荷呈非中性,原子电荷是振荡分布,且显示正电荷。（4）多孔石墨相氮化碳g-CxNy纳米片中电荷分布是不均匀的,但是在对称的几何结构中呈现出很好的对称性,且纳米片边界对电荷分布有重要影响。在g-CN和g-C2N中,由于电子富集所有N原子均带有负电荷,边缘原子的电荷绝对值明显大于内部原子的电荷绝对值,而在g-C3N4中相反。对于C原子,所有C原子在g-CN中均显示正电荷;而在g-C2N中,边缘处的双键和三键C原子显示不同数量的负电荷和正电荷,内部三键C原子显示相同的正电荷值。与g-C3N4纳米片相比较,g-CN纳米片的电荷分布存在明显的尺寸效应和奇偶效应。上述研究结果表明碳,特别是低维碳和g-CxNy纳米片中的电荷不均匀性具有普遍性,这和单质化合价往往为零（臭氧除外）或者化合物中的化合价往往相同的常识相悖。这对理解凝聚态物质的结构和性质,尤其是碳材料有重要意义,可为解释实验结果提供理论参考;还可为以碳材料和石墨相氮化碳二维材料为基的纳米电子器件的设计提供理论帮助,为其制备和应用提供理论指导和新思路。