电子演化在自然界和技术应用中广泛存在。电子相关的科学技术,已经深入到研究化学反应、分子光谱、分子导电、光催化、材料设计等等众多领域。这些领域,都与电子演化息息相关。在电子演化相关的领域内,人们研究的手段分为实验与理论计算两大类,两类手段相互验证和促进,对研究来说都不可或缺。实验手段主要有pump-probe光谱、多维光谱、和频光谱等等。目前实验上探测的光谱时间尺度已经达到了阿秒级别。这些光谱技术,已经较多的用在了电子演化分析领域。依赖这些实验研究手段获得的数据,对于严谨的研究是必不可少的。理论计算手段主要有含时Hatree-Fock(TDHF)、含时电子密度泛函理论(TDDFT)以及这些算法的扩展等等。理论计算模拟直接根据体系遵循的物理理论,计算体系的物理化学性质,相对于实验测量,能预测出一些直接观察非常困难的物理化学性质,加深我们对体系的认识。本论文重点在理论计算领域电子演化算法的开发和应用。传统的电子演化算法在计算小尺度体系的电子结构和电子演化领域已经有了非常多的成绩。然而,当体系尺度逐渐增大时,传统算法消耗的计算资源增加较快,这限制了这些算法在大尺度体系上的应用。考虑到体系内电子运动速度远大于原子核速度,以及有些微扰对体系整体相互作用哈密顿量影响较小,我们提出一种简化的基于哈密顿矩阵的电子波函数演化算法。该算法计算速度相对于传统算法得到显著提高,进而能处理更大尺度的体系。在实现了大尺度体系电子演化后,我们一边通过简化算法来计算大尺度体系的物理化学性质,另一边通过实际计算得到的反馈对简化算法进行改进。第一章我们概述了电子演化的类型和相应的实例。介绍了影响电子演化的常见因素,对电子演化进行调控的手段,以及具体的电子演化的例子。其次分析了当前大尺度体系电子演化研究面临的瓶颈。第二章我们介绍了传统电子演化模拟理论。主要内容包括TDHF和TDDFT的理论基础。小尺度体系电子演化用TDDFT可以处理得较好,但是对于大尺度体系,TDHF与TDDFT计算复杂度仍然偏高。人们急需速度更快价格更便宜的计算方法。第三章我们分析了传统电子演化算法面临困境的详细原因。基于绝热近似和微扰近似,提出了一种新的简化的大尺度电子演化算法,推导算法最终的电子演化方程,对简化算法的使用方法、应用范围以及使用注意事项都做了详细说明。第四章将简化电子演化算法应用于长方形石墨烯条带结构。设计了几组不同的长方形石墨烯条带,来探索石墨烯上电子演化时间尺度的影响因素。还通过掺杂N、B,探索不同元素原子对电子演化时间尺度的影响。通过分析石墨烯条带的电子演化模拟数据,提出了体系内共轭π键对长程电子传输有重要作用的观点。第五章将简化的电子演化算法应用于多层石墨烯衍生物“三明治”结构。该结构具有实现催化水的光解以及氢气的储存的优点,而其应用的关键正是多层二维材料之间的电子演化。我们的算法模拟为后续材料设计提供了有价值的信息。第六章将简化的电子演化算法用在富勒烯叶绿素分子衍生物结构。这种复合分子模拟天然叶绿素分子的功能,用于人造光合作用系统。这种系统中的电子传输过程里,电子在电子态之间的跃迁和电子在体系内输运都扮演了重要作用。较大的体系尺度限制了传统TDDFT在这种体系上的应用,而计算速度大大提升的简化算法能较快的模拟这种体系上的电子转移。最终的模拟结果验证了两个结论。第一,体系内的离域共轭π键能极大地促进电子演化。第二,不支持电子在不同电子态之间的跃迁限制了简化算法对现实世界中电子演化过程的模拟。第二点也为简化算法的改进提供了很好的启发作用。