稀磁半導體及二元半金屬鐵磁體的第一性原理研究研究的的原因：對稀磁半導體的磁性原子的耦合關系只是片面的，沒有與實際實驗相聯系。（1）磁性原子能否摻入半導體，能否替代到半導體中去，這涉及到雜質缺陷形成能的問題；（2）磁性原子在半導體中的價態和費米能的變化對磁性的影響；（3）磁性雜質間相互作用的距離，摻雜濃度相互作用的閥值和磁性原子形成團簇的趨勢。研究的方法：本文只要以密度泛函理論為基礎的第一性原理的計算。通過Hohenberg-Kohn定理說明了離子束密度函數是確定多粒子系統基態物理性質的基本變量以及能量泛函對粒子數密度函數的變分是確定系統基態的途徑。通過Kohn-sham方程解決了粒子數密度函數和確定了動能泛函，又通過局域密度近似、廣義梯度近似等方法確定了交換關聯能泛函。同時，應用了贗勢方法和PAW方法，對其全電子波河全電子勢的研究，在密度泛函的，應用電子波函數的基函數展開，和對其結構的優化的方法。 研究的內容：首先，對ZnO:Cu和TiO2:V兩類稀磁半導體基稀磁半導體進行第一性原理性設計研究，計算它們缺陷形成能，找出利用制備的外界環境；找出有利的磁性相互作用的過渡原子價態，計算出在該價態的磁性相互作用于距離之間關系；得到有利于相互作用的費米能級區域，進而對半導體的本征缺陷的影響進行評價，并提出有利的共摻雜元素的參考；判斷磁性原子是否有形成團簇的趨勢；并對著兩類稀磁半導體的磁性相互作用的起源作探討。其次，對二元過渡金屬硫化物和磷化物半金屬，選取V基硫化物和磷化物作研究對象。結合實驗中二元半金屬薄膜在外延生長等非平衡手段下的獲得，在二維應力的情況對V基半金屬薄膜進行第一性原理模擬計算。針對Zinc-blende型半導體襯底上生長的本質，考慮到如下三方面：（1）對其基態結構和Zinc-blende型半導體的不同界面的匹配，設計出最優模型，并對其幾何結構的穩定性進行討論；（2）對三維拉伸應力情況下，二元過渡金屬出現半金屬的不同，在二維時，對V基化合物的電子結構的穩定性；（3）對最有前景的兩種半金屬材料CrSe及MnSb，利用最優模型，對其幾何穩定性進行討論。研究的成果：一、在富氧的情況下，Cu替代Zn的形成能較低，可以摻入較大的量。Cu是一個弱的p型雜質，Cu2+/Cu+的過渡能級在價帶頂以上0.98ev。Cu2+具有1uB的磁矩，而Cu+沒有磁矩，Cu2+之間的是一種短程相互作用，并且具有一定的方向性。因此n型樣品沒有磁性，而p型樣品有磁性。Cu2+原子在近鄰構型下，能量較低，有形成Cu-O-Cu團簇的趨勢，且依舊保持鐵磁性耦合關系。Cu的磁性來源于p-d跳躍相互作用，而這也是引起Cu團簇的原因。二、通過第一性原理計算研究了V摻入銳鈦礦結構TiO2的電子結構，計算了V替代的Ti的缺陷形成能，VTi的缺陷電荷態的穩定性及其相關的磁性。進一步考慮了N,F,Cl共摻雜TiO2:V的可能性。當在p型樣品中V趨于+5價，而在n型樣品中V能穩定在+3與+4價。+5價的V原子沒有磁矩，+3價與+4價的V原子具有磁矩。V4+對V3+對之間都為鐵磁態耦合關系，并且在近鄰的構型下，能量較低，其磁性來源與p-d的跳躍相互作用。在富金屬態的情況下，非金屬共摻雜元素與VTi都具有較低的形成能，n型共摻雜元素F，Cl能對系統的磁性起到加強作用，而p型共摻雜N型將使系統的磁性消失。因此，具有n型特征的TiO2:V樣品可用于磁性與光學性能復合的材料應用。三、利用二維應力模型顯示ZB型二元V基化合物其鐵磁性標準較易實現，VSe，VTe，及VAs在所考慮的襯底范圍基本保持半金屬性。但二元V基化合物的ZB結構外延能量始終高于使用最優匹配模型的NiAs型結構的外延能量，同樣也包括具有實現前景的CrSe與MnSb，因此其幾何幾何結構穩定性難以實現。所以對自旋注入材料將需要更注入超薄的ZB型半金屬薄膜的研究。發展前景：對稀磁半導體，實驗的重復性不高，制備環境對其性能的影響很大，磁性易受外界雜質及磁性團簇干擾，其樣品的表征技術要求很高，其樣品及磁性雜質的微結構對樣品的性能影響很大。利用第一性原理計算雖能從根本上對其性質進行認識進而得到理想的材料，性質第一性原理計算只能在百個原子量級內進行計算，要求對計算模型的研究，找出影響材料的主要性能。同時針對密度泛函理論的交換關聯能對過渡金屬原子描述的誤差。 對半金