作为单原子和体结构的中间体,多年来原子团簇受到了极大的关注。最引人关注的一个问题,也是多年来一直研究的问题,团簇在多大尺度可以成体结构。半导体材料硅在现代先进工业中起着主要的作用,使得这个问题变得极为重要。由于纳米团簇的量子尺寸效应,使得硅纳米团簇呈现出许多独特的光学和电学性质,完全不同于具有体结构的硅晶体,也使得硅纳米团簇有望应用于纳米材料的更多领域。本文采用了紧束缚方法（Tight-Binding,TB）与密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）相结合的方法对硅纳米团簇进行了系统的研究,并对硅纳米团簇的生长模式进行了总结,同时预测了硅体材料的过渡尺度。在此基础上,采用TDDFT方法,对于氢饱和的硅纳米团簇的光学性能进行了计算研究,同时也计算研究了富勒烯碳笼包覆小尺度的硅团簇的光学性质。另一方面,我们也研究了CO在In掺杂Sn O₂（110）表面反应的反应路径,深入了解CO在In掺杂Sn O₂（110）表面的反应机理。主要内容如下:（1）基于TB和DFT计算相结合的方法,我们对Si₂₂₀纳米团簇的结构进行了系统设计和研究。不同构型的异构体被研究分析,包括:bulk-like,icosahedral,bucky-diamond和onion-like四种异构体。计算结果表明:对于220个原子的Si纳米团簇,bulk-like异构体是最低能量异构体,该结构呈现为由重构的Si（111）面钝化表面的金刚石体结构。而且对于不具有对称性的bulk-like异构体的结构要比高对称的bulk-like异构体的结构更稳定。而且,在n=220这个尺度,icosahedral与bulk-like异构体一样具有竞争力。通过计算不同原子尺寸Sin（16≤n≤224）纳米团簇结合能,计算结果显示出,对于一种给定类型的异构体,随着纳米团簇的尺度的增大,其结合能基本呈线性变化,而且,从一种异构体过渡到另一种异构体,能量曲线的斜率将发生改变。从bucky-diamond到bulk-like异构体的结构过渡可能发生在173-215个原子尺度。这将使得硅纳米团簇有望应用于纳米材料的更多领域。（2）采用TDDFT方法,我们研究了原子数目高达370个原子的氢饱和的硅纳米团簇的光学性能进行了计算研究。研究结果显示出,裸露的硅纳米团簇的UV吸收光谱表现出一个较宽的吸收带,而氢饱和的硅纳米团簇则显示相对尖锐的峰,与裸露的硅纳米团簇进行比较,氢饱和的纳米团簇的吸收峰有着明显的蓝移,除了icosahedral异构体,氢饱和的纳米团簇的吸收峰均出现在可见光范围。此外,氢饱和的bucky-diamond和onion-like异构体的UV吸收谱呈现双峰现象。（3）采用TDDFT方法,我们对Sim和Si_m@C₂n团簇的光学性质进行了对比研究。计算结果显示出,相对于Sim团簇的紫外吸收波段,Si_m@C₂n的光学吸收谱发生明显的红移,进入可见光区间。而且,有趣的是,对于这一系列的Si_m@C₂n,它们的总的光吸收谱中出现一个较宽的吸收带,整个吸收谱和太阳辐射光谱极其相似,我们觉得这可能会为太阳能电池的设计提供一种新的途径。（4）通过DFT计算,我们研究了In掺杂Sn O₂（110）表面的电子结构,结果显示In掺杂可以导致表面结构的局域变动。我们也研究了CO在In掺杂Sn O₂（110）表面的吸附机理,通过比较未掺杂和In掺杂表面,我们发现CO仅仅物理吸附在未掺杂的Sn O₂（110）,但是在In掺杂Sn O₂表面,CO可以被氧化形成CO₂。过渡态的一步反应研究显示,桥氧空位比In位置更接近于CO位置,在激活CO的氧化时,氧空位比In更为重要,因此,我们认为In掺杂可以产生较多的氧空位,这会更容易促进CO的氧化,In掺杂对于提高Sn O₂-基气敏元件对于CO的气敏性能,是非常重要的。这对于寻找性能更优的气敏材料将提供一定的理论指导。