稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors，DMSs)是指在非磁性半导体中通过掺杂引入部分磁性离子所形成的一类新型功能材料。DMSs材料结合了磁性和半导体特性，在自旋电子器件、高密度非易失性存储器、半导体集成电路和自旋量子计算等领域有广阔的应用前景。DMSs材料的研究主要集中在两个方面，一个方面是关于获得稳定的、本征的并具有高居里温度(Tc)的铁磁性，另一个方面是关于铁磁性的来源及磁性机理。ZnO作为第三代宽禁带半导体代表之一，直接带隙为3.4eV，激子结合能为60meV，具有良好的光电特性，在高频和大功率器件、蓝光和紫外半导体激光方面有广泛的应用。最近，人们从理论上预言过渡金属(TM)掺杂ZnO可以获得高Tc的铁磁性，使ZnO基DMSs迅速成为新材料领域的研究热点。　　 论文分为两部分，第一部分是关于Co掺杂ZnO薄膜制备与性能。采用磁束缚电感耦合等离子体增强物理气相沉积法制备了Co掺杂ZnO薄膜，通过优化制备工艺，获得了结晶良好、粒径均匀并且具有完全C轴取向的Zn1-xCoxO薄膜，薄膜的微结构、光学性能、半导体性能和磁性能受氧气分压影响很大。随着氧气分压的提高，薄膜的透过率逐渐提高，电子浓度急剧降低，薄膜从铁磁性变为顺磁性。该部分的创新之处是采用X射线吸收精细结构(XAFS)研究了Co掺杂ZnO薄膜的局域结构，结果表明Co2+取代了Zn2+位于ZnO的晶格位，Zn1-xCoxO薄膜的铁磁性、半导体性能和光学特性都是材料的本征属性。在高真空条件下制备的Zn1-xCoxO薄膜主要缺陷是氧空位，随着制备过程中氧气分压的提高，氧空位缺陷会得到很大程度的抑制，氧空位缺陷可以调节Co2+之间的铁磁交换，但这种调节作用相当不稳定，受制备条件和后期处理影响很大。采用(Co，Al)双掺杂ZnO的方式，获得了Tc>550 K、铁磁性稳定、制备重复率高的薄膜，氧气分压和退火处理对薄膜的磁性和半导体特性影响不大；XAFS结果表明，Al的掺入并不影响Co2+取代Zn2+，在高真空条件下制备的Zn0.95-xCo0.05AlxO薄膜，主要缺陷有氧空位和Al+Zn，随着制备过程中氧气分压的提高，氧空位缺陷会得到很大程度的抑制，而Al+Zn受氧气分压影响不大，Zn0.95-xCo0.05AlxO薄膜中稳定的、室温以上的铁磁性正是来源于Al-Zn的调节。　　 第二部分是关于Co掺杂ZnO体系的磁性来源和机理。采用第一性原理计算和共振非弹性散射技术(RIXS)从理论和实验两方面研究了Co-3d电子和传导电子之间的相互作用，首次提出了上述体系的铁磁性来源于施主缺陷提供的束缚传导电子调节的Co2+之间的铁磁交换。RIXS实验观测到了Co-3d电子与缺陷提供的局域传导电子之间的电荷转移现象，(Co，Al)双掺杂ZnO中的电荷转移强度明显强于仅Co掺杂ZnO的情况；第一性原理计算结果表明，在Co掺杂ZnO体系引入氧空位和Al+Zn缺陷对铁磁交换都是有效的，上述缺陷对铁磁交换的调节作用取决于其能级深度，缺陷的能级深度决定了其束缚传导电子的能力，Al+Zn对传导电子的束缚较弱，而氧空位对传导电子的束缚较强，相比于氧空位缺陷，Al+Zn可以在更大的范围内调节Co2+之间的铁磁交换。