近年来，准一维纳米材料的研究引起了凝聚态物理、化学及材料科学家们的广泛关注，成为纳米材料研究的热点。准一维纳米材料包括纳米丝，纳米线(棒)、纳米管、纳米带、纳米同轴电缆、异质结与超晶格纳米线等。金属原子链和金属纳米线是一维纳米材料中在纳米尺度上比较特殊、在应用上比较有前景的两种结构，不仅是研究电子输运和力学参数尺寸与维度依赖的理想研究体系，同时也可作为纳米连接以及功能组元在纳米电子、光电器件中发挥不可替代的作用。目前有关准一维金属原子链和金属纳米线的研究已经成为纳米材料科学领域的中心课题之一。 材料的物理性质是材料应用的基础。对准一维纳米材料的结构稳定性及电子性质的理论研究能够为准一维纳米材料的制备、结构的人工控制提供有意义的理论指导，是准一维纳米材料应用的前提和基础。近年来，实验上成功制得了悬挂于两个金电极之间的稳定的金单原子链，这一成果被认为是低维物理以及纳米科技发展的一个里程碑，此后人们遍把视线移到各种不同金属形成的原子链上。Ti和Ni分别属于前后过渡金属元素。Ti原子的电子组态是3d<2>4s<2>和Ni原子的电子组态3d<2>4s<2>有强烈的互补关系。为此，本论文采用第一性原理方法，系统地对Ti、Ni、TiNi合金原子链的结构稳定性和电子性质(包括磁性质)进行了系列性的研究，并过渡到具有一定截面半径和不同截面形状的金属纳米线，考察金属纳米线电子性质的尺寸演化和结构关联。期望本论文的研究和结论能为金属纳米线的开发和应用提供有意义的理论指导。 本论文可分为两部分。第一部分介绍了研究工作所涉及的基本理论和第一原理方法。首先介绍了密度泛函理论，包括密度泛函理论的基本思想、Hobenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程和交换关联近似(局域密度近似和广泛梯度近似)等。接着介绍了本研究工作中所采用的具体的电子结构计算方法，即平面波展开的第一性原理赝势法。并对基于平面波赝势法的VASF程序包的特点作了介绍。 第二部分共有五章，分别介绍我们的研究工作和结果： 在第三章中，研究了钛和镍原子链的结构稳定性和电子结构性质。计算结果表明，Ti可以形成稳定的线性、平面之字型，二聚化以及梯子型等一系列一维链式结构，Ni只可以形成稳定的线性、之字型和梯子型结构链，不能形成稳定的二聚化结构。我们计算发现Ti的之字型结构原子链在水平拉伸的过程中，在顶角为83。的地方会出现从锐角之字型结构向钝角之字型结构的突变，这种情况在已经计算过的许多原子链中没有发现过。Ni可以形成两种稳定的之字型结构。在一维情况下，钛的成键与其体结构有很大的不同，电荷聚集在原子之间成有方向性的键，而一维镍原子链的性质仍保持电荷密度均匀化分布的金属性特征，与镍体结构的电荷密度分布相似。在Ti，Ni各自形成的一系列一维链式结构中，之字型结构最为稳定，其他的结构均为亚稳，一维线性链是最不稳定的。 在第四章中，研究了TiNi合金原子链的结构稳定性和电子结构性质。通过和单纯的钛链、镍链比较，发现合金后TiNi链的稳定性增强了，即体系的结合能降低了。合金链稳定性的增加主要是由于合金后体系费米能级处态密度的减少和Ti，Ni间形成更强的键所致。相对于之字型结构，合金对直线链结构的稳定性提高的更多。 在第五章中，我们考察了Ti，Ni原子链的磁学性质。发现钛的一维线性、二聚化和梯子型结构在铁磁极化和非磁极化下都能稳定存在，梯子型结构的磁性最强，而之字型结构仍不表现出磁性，但之字型结构仍然是所计算的一维钛原子链中最稳定的。对线性和之字型结构的镍原子链的研究发现，基态的线性和之字型镍原子链与金属镍一样都表现为铁磁极化，从三维的金属镍到平面之字型结构再到一维的线性原子链，它们的单位原子的磁矩逐渐增大，体系的磁性逐渐增强。之字型结构在结构不受外界力作用的情况下，体系会出现反铁磁极化。说明体系的磁性质与各原子链的结构特点有很大的关系。 第六章选择不同尺寸和结构的超细钛金属线，从第一原理计算的角度研究了它们的能量，电子态密度，电导等物理性质，考察了这些金属线的结合能，电子结构以及电导对金属线的尺寸和结构的依赖关系。结果表明，钛金属线的单位原子的结合能在一定的纳米范围内与金属丝的半径的倒数成线性关系；金属线的电子态密度和能带结构与金属线的结构有很强的依赖关系，随着钛金属线半径的增大，能态密度逐渐由离散，多峰的类分子谱向比较连续的体材料的电子结构演化；电导性质的研究表明，金属线的电导随线半径的增大而增大，随着纳米线的变粗，它们的电导通道数与原子链的股数并不相当，表现出有越来越多的电导通道没有被打开。 在第七章中，我们计算发现不同元素，如碱金属、简单金属、过渡金属和贵金属都可以形成稳定的交错的五角对称结构链(staggered pentagons)结构，即：五角面互相平行排列，相邻上下两个五角面相对旋转36°，并有一条单原子链穿过各五角面的中心。而非金属元素Ge则更易于形成相邻上下两个五角面不旋转的重叠五角对称结构链(eclipsed pentagonal)。五角对称纳米线的稳定性介于一维链结构和三维体结构之间，即稳定性强于一维链结构。所计算的这些一维五角链结构都表现出金属性的特征，在能带的费米能级处都有能带穿过。不同元素的五角对称结构链表现出非常不同的成键特征，其中有的元素的成键性质还与体材料的成键特征不同(如：铝)。