稀磁半导体材料是将少数百分比的磁性离子掺杂到无磁性的半导体材料中而形成的新型功能材料,它能将半导体材料所操纵的电子电荷自由度与磁性材料所操纵的电子自旋自由度相融合,构造出同时操纵电荷自由度与自旋自由度的新一代电子器件。这种超常规的新型功能材料,在未来社会的信息领域具有广阔的应用前景。ZnO作为直接带隙、宽禁带半导体,具有优异的导电、光学、光致发光、压敏和气敏特性。同时,一些过渡族金属离子在ZnO中具有较高的固溶度。因此,ZnO被认为是很好的稀磁半导体基质材料之一。但是,对它的研究也存在着下列问题：第一,磁性来源于磁性离子团簇等杂质相而不是材料的本征属性；第二,没有杂质相的材料居里温度低于室温；第三,制备本征室温铁磁性的材料重复率很低；第四,没有统一的磁性理论用于解释稀磁半导体的磁性机制。这些问题,尤其是最后一个问题,严重地制约着ZnO基稀磁半导体的应用。本研究首先利用溶胶-凝胶法,分别制备了Co、Mn、Fe及Ni等过渡族金属元素掺杂ZnO的纳米晶体薄膜及粉体多个系列样品。通过X射线衍射仪、透射电子显微镜、紫外-可见光光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、振荡样品磁强计等检测手段,对样品的结晶状况、结构、成分、磁性进行了细致地分析。然后,基于实验研究结果,引入改进的伊辛模型,采用蒙特卡洛模拟技术,对ZnO基稀磁半导体的磁性机制进行模拟研究。实验研究发现：(1)在室温下,具有本征铁磁性的O样品,其间接铁磁性交换作用媒介是氧空位俘获的n-型束缚载流子及去局域化的施主杂质。后者的作用,在其自身的浓度和晶格完整性达到一定水平时才有突出表现；(2)在室温下,经500℃-750℃煅烧的Zn1-xMnxO(x=0.005～0.05)粉末样品具有本征铁磁性,其磁性远弱于相同条件下的Zn1-xCoxO样品。当受主杂质Na的浓度达到1Na/Mn-1.4Na/Mn时,其铁磁性有显著提高。证明是p-型束缚载流子诱导了Mn掺杂ZnO纳米晶体粉末中本征铁磁性交换作用；(3)经500℃～1000℃煅烧的Zn1-xFexO(x=0.01～0.05)粉末样品,具有本征室温铁磁性,其特征与Zn1-xMnxO类似,其铁磁性交换作用的媒介是少量的未被补偿的束缚空穴；(4)Ni的固溶度很低,在煅烧500℃时,ixO (x=0.005～0.015)粉末样品具有本征室温铁磁性。该铁磁性是由束缚电子调节的。此外,所有样品的磁性参数都与磁性离子浓度不成正比关系。表明在所有样品中,都存在着O2+诱导的反铁磁性交换作用；薄膜样品都不具有本征铁磁性。证明表面与界面阻碍了铁磁序的形成。首次引入Ising模型,研究稀磁半导体磁性机制。对Ising模型的改进在于对其中的交换作用进行了结合实际的处理。该模型包含了四项交互作用：(1)直接交换作用(无磁性离子团簇时该项为0)；(2)O2+为媒介的反铁磁性的超交换作用；(3)载流子诱导的铁磁性间接交换作用。引用了RKKY模型中的长程交互作用和Zener模型中的赝自旋来描述该交换作用；(4)磁各向异性等效晶体场的作用。将磁性离子及本征缺陷的浓度和分布计入磁各向异性晶体场中,用磁各向异性常数描述。针对上述各个交换作用设置了可调参数,运用Monte Carlo模拟技术讨论了各个参数的权重,确定了与实验结果相匹配的参数。最后,采用该模型模拟研究了Zn1-xMnxO薄膜的本征磁性,并获得了与实验相吻合的结果。