氧化锌(ZnO)属于Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体,其禁带宽度为3.37eV,室温下的激子束缚能达60meV,在光电子和自旋电子器件上具有着很大的潜力。这使得ZnO成为当今半导体材料研究领域关注的热点,并被广泛的应用于太阳能电池、透明薄膜三极管、紫外光电探测器、发光二极管和压电传感器等器件上。目前,很多不同的科研小组把目光投向了各种奇特的ZnO纳米材料之上,合成了诸如纳米线、纳米带以及纳米螺旋在内的很多种纳米结构。在此基础上,本论文工作主要通过第一性原理计算,研究了不同维度的ZnO纳米材料的电子结构和磁性,并进一步分析讨论了磁性掺杂、边界钝化以及表面化学修饰等作用对材料性质所带来的影响。主要结论如下:　　 (1)对于零维(ZnO)12团簇掺杂过渡金属(TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni和Cu)的结构和电磁性质的研究发现,除了Ti2Zn10O12和V2Zn10O12,所有掺杂的团簇都具有高的稳定性且保持类笼形结构。单掺杂的TMZn11O12团簇一般都具有磁性,然而双掺杂的TM2Zn10O12团簇则表现出反铁磁性或是顺磁性,并没有得到铁磁态结构能量最低的结论。而在对Eu为例的稀土元素(RE)掺杂(ZnO)12团簇的研究中发现,Eu2Zn10O12团簇存在着铁磁耦合的最低能量结构。论文对这种磁性行为通过电荷转移情况和态密度分布来做了相关解释。　　 (2)以ZnO纳米带为主研究了一维(1D)ZnO纳米结构的电磁性质。计算结果表明Zigzag型ZnO纳米带(ZZnONRs)具有磁性,这种磁性主要来源于边界O原子之间的铁磁性耦合。而且,当另一边界的Zn原子被H单独钝化(ZZnONRs-ZnH)时,对于不同的宽度(n=5-9),每个单元的纳米带的磁矩分别增加到了0.62μB,0.82μB,0.84μB,0.84μB和0.86μB。更有趣的是对于宽度较大(n≥6)的ZZnONRs-ZnH还呈现出了奇特的半金属性。而且当H原予用其他功能团(如-CH3和-NH2)代替时,材料仍然能保持铁磁的半金属性。对于一维ZnO纳米材料,我们还研究了纳米线掺杂稀土元素Nd的磁性耦合性质。研究结果发现掺杂的Nd原子或Zn位的缺陷都趋于占据纳米线表面的位置,并且杂质和缺陷之间为铁磁性耦合,导致材料有较大的磁性。　　 (3)研究了二维(2D)氧化锌层状结构(ZnOLs)的稳定性和键合性质,以及氟对其表面修饰后的结构变化和电磁性质。纯净的ZnOLs为平面六角结构,层内的Zn-O相互作用是共价键占主导地位,而在层间的相互作用则是较弱的离子键结合。氟原子的表面修饰在提高二维ZnO薄膜的稳定性的同时还会导致ZnOLs具有铁磁性,对应于不同的厚度(n=1-4),每个单元的磁矩分别为0.84μB,0.87μB,0.89μB,和0.72μB。而且,和前面提到的ZnO纳米带类似,氟化作用也可以使ZnOLs变成半金属,并且具有高达0.56eV的半金属带隙。　　 (4)为了和ZnO薄膜的性质做对比,还研究了二维GaN单层结构的电磁性质。发现GaN的单层薄膜具有和ZnO类似的平面蜂窝状结构。但和ZnO不同的是它拥有宽度为1.95eV的非直接带隙。当GaN薄膜的两侧分别用H和F原子钝化的时候,这个带隙被转变成直接带隙并且宽度增加了0.81eV。更有意思的是,当外加一个与薄膜的垂直方向上的电场时,对应在-6eV～6eV范围内变化的电场,带隙会在1.8cV～3.5eV之间变化。同时,这种表面化学修饰也进一步增强了GaN薄膜的稳定性。　　 (5)最后在三维(3D)ZnO块体模型的基础上研究了Co掺杂情况下的铁磁性耦合机制。针对实验上测得的室温铁磁性(RTF)结果,并结合测得的EEL谱和计算得到的DOS及电荷密度分布,猜测了Co原子之间的这种RTF的物理机制:在室温下部分电子跃迁到位于导带的Co原子的掺杂态之上,而这类位于导带的局域性较弱的载流子会在室温下起到稳定铁磁耦合态的作用,并最终导致了体系RTF的形成。