自2004年单层石墨烯通过机械剥离的方式被制备出来,二维材料一直是热门的研究领域。石墨烯由于其具有高迁移率、高强度、高热导率、易于剥离等优点而受到人们的广泛关注,但由于其零带隙的缺点限制了石墨烯在半导体材料方面的应用。2015年北京大学课题组利用第一性原理模拟成功开发了一种新型单层二维碳材料-五边形石墨烯（penta-graphene）,该结构不仅具有可与石墨烯媲美的超高力学强度,并且具有一个大的内秉带隙,完美解决了石墨烯零带隙的问题。受到以上工作的启发,本课题利用粒子群优化算法（CALYPSO）预测一系列单层五边形二维结构,然后利用第一性原理预测新型结构的稳定性。对于能够稳定存在的结构利用基于密度泛函的第一性原理计算进行机械性能和光电性能测试,寻找新型二维层状材料的应用前景。最后对于每一种结构寻找合适的实验衬底,进行试验可能性模拟,为实验室制备和合成新材料提供理论依据。具体研究内容如下:1.利用粒子群优化算法（CALYPSO）系统预测IV族（C、Si、Ge、Sn）、V族（N、P、As、Sb）元素正交实验得到的单层五边形二维结构,并通过声子谱计算和分子动力学模拟预测五边形二维结构的动力学稳定性和热稳定性。同时对理论上稳定存在的二维结构的机械性能以及光电性能进行了系统地计算。计算结果表明:该系列二维结构的强度与石墨烯相比略有下降,与黑磷相当,但柔韧性有了较大的提高。光电性能方面,该系列结构具有1.36².72 eV（HSE）左右的间接带隙,并且该带隙大小在外立场的作用下大小可调,可以实现由金属到半导体的性质转变。该能带特点可广泛应用于半导体器件的设计与开发。2.通过元素替换的方法系统研究了Pt与其它V族元素（P、As、Sb）构成的五边形二维单层结构,同样地,对于稳定结构利用第一性原理计算对其机械性能和光电性能以及实验可能性进行了系统而全面的预测和计算。计算结果表明:该系列二维结构的机械稳定性良好,其机械强度优于IV、V族元素构成的五边形二维结构。并且该系列结构均具有0.13⁰.53 eV（HSE）的直接带隙,该带隙在外力场作用下大小可调,性质不变。同样可以实现金属和半导体之间性质的转换。3.针对有褶皱的五边形单层二维结构SiP₂和纯平面的五边形单层二维结构PtP₂分别找到适合其生长的实验衬底MgF₂和MgAl₂O₄,并理论预测了合适的合成反应方程式,为实验合成提供了理论依据。