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稀磁半导体材料因其兼具磁性和半导体材料的性质而备受关注。半金属(HM)材料的100%自旋极化率导致其费米能级处仅存在单一方向的自旋电子而广泛应用于自旋电子学器件。氧化锌(ZnO)作为Ⅱ-Ⅳ族宽带隙半导体材料,其优异的介电和光学性能,被认为是一种很有发展前途的室温制备磁性材料。而且大量研究结果已经表明过渡金属(TM)原子掺杂的ZnO体系可以表现出优良的HM特性。近年来,也有关于TM原子掺杂宽带系半导体团簇的研究但还没有系统全面研究Cr掺杂(ZnO)12团簇。本文通过使用以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,研究了 TM原子掺杂的ZnO体系的结构、电子、磁特性和光学特性以及Cr原子掺杂(ZnO)12团簇的结构、电子和磁特性。得到结论:首先,对Zn1-xNixO(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1)体系的结构、电子、磁性和光学特性进行自旋极化第一性原理计算。除了四方结构的Zn0.5Ni0.50体系,其他Zn1-xNixO体系都是立方结构。掺杂后的Zn0.25Ni0.75O、Zn0.5Ni0.50、Zn0.75Ni0.250和NiO体系都是完全HM材料因此可以应用于自旋电子器件。Zn1-xNixO体系的磁矩主要由Ni原子磁矩和少于与之平行的O和Zn原子磁矩贡献。其次,对两种相同的TM原子M(M=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂ZnO体系的结构、电子和磁特性进行自旋极化第一性原理计算。同时根据两个相同TM原子之间不同距离考虑6种掺杂构型(0,i=1-6),最后将结果结合TM的价电子构型,利用超交换和双交换机制详细分析两个相同的TM原子间的铁磁与反铁磁耦合。在双交换机制下两个相同M离子间的FM耦合导致V(0,i=1-6),Cr(0,i=1-6),Fe(0,2)和Ni(0,i=4-6)体系是总磁矩分别为6、8、8和4μB的HM铁磁体。在超交换机制下两个相同M离子之间的AFM耦合导致Mn(0,i=1-6)和Co(0,i=1-6)体系为非磁性半导体以及Fe(0,i)和Ni(0,i=1-3)体系为非磁性金属。因此,两个Fe或Ni原子掺杂的ZnO体系表现出超交换和双交换机制间的竞争。最后,采用第一性原理研究了 Cr原子掺杂(ZnO)12团簇的结构、电子和磁特性。相比纯(ZnO)12团簇的最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道(HOMO-LUMO)间的能隙,掺杂后团簇的HOMO-LUMO能隙均变小。a2构型的总磁矩为6μB而其构型总磁矩均接近4μB,这可能与Cr原子周围的局部环境有关。对于所有双掺杂构型(替换双掺、外双掺和内双掺),FM态的总磁矩为8μB而AFM态的总磁矩为0,AFM态的HOMO-LUMO能隙略大于FM态的能隙。双掺杂构型中Cr原子间的磁耦合主要AFM和FM作用的竞争。最重要的是,在这些双掺杂的情况下,外掺杂构型的FM耦合态最稳定,这可能会在未来的应用中应用于自旋相关纳米器件。