随着科技的快速发展,电子技术已经普遍应用于人类社会的各个方面,电子器件已成为生产生活中必不可少的重要工具。而电子器件也在朝着多功能、高集成、小型化的趋势不断演进,这对相关材料提出了更多的要求。而与此同时,低维材料由于其丰富且优良的特性恰好可以满足器件发展的需求,其中低维铁电材料更是因其内部存在自发铁电极化且极化可随外电场翻转的特点,在传感器和非易失性存储器等器件应用方面具有重要的价值。低维铁电材料中的宏观铁电性主要来源于材料内部电偶极的有序排列,并且能够在纳米尺度下稳定存在,因此低维铁电材料可以很好地满足电子器件小型化的需要。更为重要的是,低维铁电材料往往会展现出许多新奇的性质,而这些新奇性质之间又有可能发生耦合作用,从而产生新的有价值的物理现象。上述物理现象的出现又会进一步丰富相关电子器件的功能特性。在本论文中,我们研究了基于过渡族金属卤氧化物的低维铁电材料,包括二维铁电材料MOX2（M=Zr,Hf;X=Cl,Br,I）和一维链状的铁电材料NbOI3。其中,二维铁电材料MOX2是我们通过对材料数据库的挖掘和筛选,然后基于密度泛函理论的第一性原理计算方法预测得到的,我们研究了它们的本征铁电性质和其他与铁电极化耦合的物理性质。而对于NbOI3一维铁电材料,除了研究其铁电性质外,本文还设计出基于NbOI3的一维电子器件,并对该器件的输运性能进行了模拟。本文主要内容包括以下三个方面:一.二维MOX2单层铁电材料的晶格结构与铁电性质。通过对范德华层状材料数据库中各种二维材料的筛选,并主要利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,我们首先预测了一类未被实验合成的新型的二维铁电材料MOX2的存在。然后通过计算声子谱的方法,确定出所有可能的相结构,并分析了它们的结构稳定性。确认铁电相结构是最稳定的基态结构,并对该结构的相关参数,如晶格常数、极化强度以及能带带隙等进行了计算。最后,本文基于蒙特-卡洛方法和分子动力学方法模拟了这些材料在有限温度变化下的铁电-顺电相转变过程,并确定了它们的铁电居里温度。发现除了 HfOI2材料外,所有MOX2材料在室温下都能够保持稳定的自发铁电极化。二.二维MOX2单层铁电材料中与铁电耦合的物理性质在这个部分,我们主要研究了二维铁电单层材料MOX2中其他与铁电性质发生耦合作用的一些物理性质。首先是力学性质和压电性质,我们通过计算弹性系数来表征二维单层铁电材料MOX2的力学性质,它们的杨氏模量和泊松比随角度变化表现出了明显的面内各向异性。基于弹性系数和压电应变系数,我们又得到了二维单层铁电材料MOX2的压电系数。铁电MOX2单层表现出了不同于大多数压电材料的压电性质,其横向压电系数d32占据主导作用,使得沿着非极化轴施加应力得到的压电响应要远远大于沿极化轴得到的压电响应。针对具有室温下稳定铁电极化和半导体性的铁电ZrOI2单层铁电材料,我们还研究了它的光吸收性质和由重元素I导致的自旋轨道耦合效应。铁电ZrOI2单层因特定的原子间轨道杂化作用,表现出了各向异性的光吸收性质和巨大的线性二色性效应。对于光子能量为3.23 eV的入射线性偏振光,ZrOI2单层沿面内两方向的光吸收率比值几乎可以达到100%。在关于自旋轨道耦合作用的研究中,我们发现铁电ZrOI2单层中由于特定的对称操作的约束,在布里渊区r点附近价带顶发生了奇特的能带自旋劈裂,即发生自旋劈裂后能带电子,其自旋取向严格指向面外单一方向。从而使得电子在实空间保持恒定自旋螺旋状态（persistent spin helix-PSH）的状态,这种状态的出现往往意味着较长的自旋载流子寿命。而更重要的是,ZrOI2单层铁电材料中的铁电极化和电子自旋之间可以发生耦合作用,计算得到的能带结构和自旋织构图景证实在二维铁电ZrOI2单层中通过外电场翻转铁电极化的方向可以改变电子自旋的取向,实现电子自旋的电学可控。三.一维铁电材料NbOI3的铁电性质和电子器件性能模拟我们研究另一类过渡族金属卤氧化物的低维铁电材料,即一维链状铁电材料NbOI3。我们采用了与MOX2二维铁电材料相类似的结构模拟和分析方法,首先获得了 NbOI3铁电、反铁电、顺电和极化反平行这四种相结构,并确定铁电相结构为NbOI3的基态晶体结构。在此基础上,利用蒙特卡洛方法分析了其在有限温度下的铁电-顺电相转变过程,预测其铁电居里温度Tc为400K,表明NbOI3一维铁电材料在室温下仍然能保持稳定的自发铁电极化。通过研究超薄厚度下一维NbOI3阵列中铁电极化与退极化场间的相互作用,我们证实沿极化方向仅包含两个晶胞单元的NbOI3依然能够保持稳定铁电特性。我们还设计出了基于NbOI3材料的一维电子器件,通过对于器件输运性能的模拟,证实该器件可以实现电流的单向导通的整流特性。