随着先进薄膜生长工艺和超精细版图技术的出现，已经能够制备出量子阱、量子线和量子点等各种维度的半导体纳米结构。由于载流子运动的量子束缚效应，纳米结构显示出了丰富的光谱结构和新的性质，为基础科学研究提供了丰富的平台，吸引了广泛的关注。由于独特的光学和电学性质，从纳米光电器件和量子计算到生物应用等新领域，纳米结构可能会扮演关键角色。我们已经研究了自组织InAs/GaAs量子点激子能的压力系数和半导体胶体量子点载流子的量子束缚效应并提出了模拟半导体器件的全量子力学原子论方法。(1)使用原子论赝势方法计算了21个不同形状、大小和合金分布的InAs/GaAs量子点，研究了自组织InAs/GaAs量子点基态激子能的压力系数。我们的结果验证了实验观察到的量子点激子能压力系数明显小于体材料这一难以解释的现象。我们已经证明了InAs和GaAs体材料的非线性压力系数是导致量子点压力系数远小于体材料的最根本原因，而电子波函数落在GaAs原子上的比例会随量子点发生改变直接导致了量子点压力系数的变化。我们同时发现了量子点压力系数与激子能之间的关系，这与实验结果定量符合。我们发现了量子点激子能和它的压力系数与电子态波函数间的线性关系，这些关系可以被用来提供量子点中电子态的信息。(2)我们分析了周期性体材料的能带结构、周期性体材料能带间的多带耦合效应和边界条件等因素在决定半导体胶体量子点导带态时的相对重要性。我们发现体材料能带结构和正确的量子点边界条件是十分重要的，而体能带间的多带耦合效应对量子点导带态的影响非常小。(3)对于模拟百万原子的纳米器件在强非平衡条件下的耦合薛定谔—泊松方程求解器，我们提出了一个基于原子论经验赝势的量子力学自洽计算方案。我们比较了MOSFET的量子力学自洽计算和半经典方法的模拟结果。由于器件中的量子力学效应，在电子态密度、阈值电压、电容和I-V曲线等重要器件性质中我们发现了明显的差异。我们当前的工作显示，用精确的赝势哈密顿量模拟全量子力学器件是必需的也是可能的。