随着科学技术的进步,器件集成度随摩尔定律快速增加,半导体器件尺寸也在不断缩小,量子效应及散热等问题难以克服,以电荷自由度为基础的传统电子学日渐艰难。自旋电子学通过结合电子自旋和电荷自由度,具有非易失性、数据处理速度快、能耗低和集成度高等优点,是未来电子信息领域的重要发展方向。磁性半导体同时具备半导体的逻辑功能和磁性材料的存储功能,已成为近年的研究热点。以石墨烯为代表的二维单层材料与范德华异质结由于具有优异的物理性质,是当前物理电子学的前沿领域。二维磁性材料是低维自旋电子学的基础,受到特别的关注。2017年,华盛顿大学和麻省理工大学的研究人员在单层三碘化铬(CrI3)首次发现了二维伊辛铁磁序,激发了二维磁性材料的研究热潮。尽管如此,已有的二维磁性材料大多含有过渡金属元素。稀土元素是传统永磁材料重要成分,也能构成了大量的层状化合物,由于常用的LDA/GGA方法处理稀土元素存在挑战,层状稀土材料目前研究不多。稀土元素具有较强的电子关联效应和自旋轨道耦合强度,在低维条件下可能具有奇异的物理性质,值得深入探索。本文中我们通过第一性原理计算发现了一系列具有较大磁矩和可观磁各向异性能的二维单层稀土半导体REOBr(RE=Tb,Dy,Ho,Er,Tm)。我们使用PBE+U方法考虑电子关联效应,系统地研究REOBr单层结构、电子结构、磁矩和磁各向异性,并与已有实验进行对比。结果表明二维REOBr中存在半金属态的亚稳态和半导体态的体系基态。我们通过细致的晶体结构和4f电子投影态密度分析证实,二种状态没有发生结构相变,可以通过二重简并x(x2-3y2)轨道态密度的占据位置来进行分辨。我们还通过声子谱计算,确定了单层REOBr的动力学稳定性。另外,还对比了两种单层REOBr(RE=Ce,Gd)的电子结构,单层CeOBr因为存在自由f电子还是会出现亚稳态现象,而单层GdOBr由于只有半满壳层的f电子而没有产生亚稳态。计算预测REOBr低能态的带隙大小在2.47-4.26eV之间且随稀土元素原子序数的增加而减小。我们发现单层REOBr的铁磁和反铁磁态能量接近简并且电子结构类似,并通过能带和投影态密度证明高度局域的f电子是产生这种现象的主要原因。我们还发现单层REOBr的自旋和轨道磁矩高达6.018μB到2.872μB,且不依赖于磁构型。电子自旋磁矩符合稳态下自由稀土离子的排布情况,轨道磁矩随着稀土元素的序号增加而增加。我们还计算了方向依赖的磁各向异性能,并发现结果可以通过四阶非单轴各向异性公式拟合。计算表明REOBr单层具有丰富的磁各向异性特征包括易轴、易平面和易锥。单层DyOBr具有高达8meV/atom的磁各向异性能,单层TmOBr具有垂直平面的铁磁态。REOBr的磁各向异性行为可以基于四面体的晶体场和自旋轨道耦合相互竞争机制进行解释。我们的研究将有助于理解二位稀土磁性材料的磁性机理,并为下一代自旋电子器件提供潜在材料。