稀磁半导体是指在常规半导体中掺入磁性元素，使半导体具有自旋极化特征，能够实现电荷和自旋的同时操纵，进而实现信息的传输、处理、和存储。这是未来信息技术的发展方向之一，是当今凝聚态物理研究领域中的热点。由于过渡金属离子半径与氧化物半导体阳离子的半径相近，有可能实现较高的掺杂浓度，所以以氧化物半导体作为基体材料制备稀磁半导体具有很大的优势。通常氧化物半导体中存在大量的本征缺陷，这些缺陷在带隙附近形成缺陷态，对稀磁半导体材料的磁性质具有不可忽略的影响作用。虽然人们对ZnO基稀磁半导体做了大量的实验和理论研究，但有关其磁性起源的理论解释仍然众说纷纭。本论文的主要工作是:通过第一性原理计算方法探究本征缺陷对ZnO基稀磁半导体磁性的影响。以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法作为一种不需要任何经验参数的理论计算方法，能在电子结构层次上分析材料各种性能的微观起源，解释实验现象，同时还能对材料的性能进行相关预测，起到指导实验的作用，已经受到越来越多材料科研工作者的重视。本论文主要分为以下几个部分:　　 第一章，介绍了稀磁半导体的研究意义、研究历史以及ZnO稀磁半导体的研究概况。　　 第二章，简述了第一性原理计算方法的基本理论——密度泛函理论，以及其实现过程。　　 第三章，利用第一性原理计算研究氧空位对Co掺杂ZnO稀磁半导体磁性质的影响。通过计算分析体系的电子结构以及电子转移发现在ZnO∶Co体系中，氧空位趋向位于近邻Co原子位置，而且氧空位束缚的电子载流子具有一定的空间局域性。氧空位引入的电子载流子会部分转移到Co原子和近邻Zn原子，形成以电子载流子为媒介的Co原子间的耦合作用，稳定体系的铁磁态，从而增强Co原子间的交换耦合作用。同时，由于氧空位束缚的电子具有一定的空间局域性，因而远距离构型的铁磁交换作用相对近邻构型小得多。　　 第四章，讨论非磁性原子Ti在ZnO半导体中的价态，分析ZnO∶Ti体系的磁特性以及氧空位对其磁特性的影响。鉴于ZnO∶Ti在实验上表现为n型半导体，我们通过对Ti的形成能计算讨论得出Ti在ZnO∶Ti中为＋4氧化态，并认为导致实验中ZnO∶Ti体系电导率增加的是氧空位本征缺陷。Ti本身是非磁性原子，但在ZnO中形成的Ti4＋-Vo诱导体系产生了铁磁性。氧空位束缚的电子转移到Ti-3d空带从而产生Ti局域磁矩，Ti-3d和O-2p电子在费米能级处的强烈杂化是产生铁磁性的主要原因。体系中Ti施主产生的巡游电子作为媒介使得Ti局域磁矩间发生了RKKY相互作用，从而体系表现为长程铁磁有序。然而，随着氧空位浓度的增加，体系转变为短程相互作用，因而在ZnO∶Ti生长过程中应该适当控制氧空位的浓度。同时，计算发现随着氧空位浓度的增加，氧空位倾向于集中分布在ZnO∶Ti体系中。　　 第五章，研究本征缺陷对Cr掺杂ZnO稀磁半导体磁性质的影响。通过计算Cr替代Zn以及O空位、Zn间隙和Zn空位在不同电量状态下的缺陷形成能，得出结论:当费米能级靠近导带底的时候，不管是在富金属还是富O条件下，Crzn0＋Vzn-2是ZnO∶Cr样品中最稳定的缺陷组态;而当费米能级处在其他位置的时候，富金属条件下Crzn+＋zni0和Crzn+＋Vzn-2在环境下最易生成，Zn空位在富O条件下是最稳定的缺陷，并具有中性、-1和-2不同的价态。我们通过讨论体系中Cr原子间的交换耦合作用，得出结论:ZnO∶Cr体系稳定的长程铁磁有序主要来源于P-d杂化作用以及具有d轨道特征的n型巡游载流子为媒介的铁磁交换作用。易于生成＋3价Cr离子的p型样品有利于铁磁有序的形成，而Zn空位产生的具有一定局域长度的空穴载流子的补偿作用会减小体系的铁磁态稳定性，产生负面的影响。因而，在这些稳定的缺陷复合物中，只有Crzn+＋Vzn0缺陷才能使ZnO∶Cr样品具有稳定的铁磁有序。富O条件下生长的p型ZnO∶Cr将会有利于获得高的居里温度。　　 第六章，给出了本论文的研究工作小结，并对今后工作做个展望。