自从2000年Dietl等人预测Mn掺杂的GaN等半导体具有室温铁磁性(RTFM)以后，许多科研工作致力于研究过渡金属掺杂的半导体材料的磁性。实验上已经证实由于氧空位的存在，许多氧化物薄膜或纳米颗粒表现出室温铁磁性(RTFM)。与此相反，第一性原理计算表明，对于HfO2，TiO2，ZnO，SnO2，ZrO2等氧化物，磁性产生的原因是由于阳离子空位的存在。由于人们对非掺杂氧化物的铁磁性产生了越来越浓厚的兴趣，d0铁磁性已经成为本世纪非常重要的研究课题。与人们的传统观念不同，没有d或f电子的材料也可以表现出铁磁性。MgO是典型的do氧化物，理想的块体MgO是无磁性的。目前为止，关于V0Mg空位对MgO磁性的影响，还没有系统的第一性原理研究报道。利用局域密度近似(LDA)，广义梯度近似(GGA)以及库仑修正的局域密度近似(LDA+U)三种方法计算含有V0Mg空位的MgO磁学性质。　　 在氧化物，氮化物和硫化物中掺杂无磁性的s，p元素如C，N，Mg，A1等也可以在体系中引入铁磁性。这些杂质元素可以将无磁性的化合物转化为磁性体系，磁性出现的原因是C，N，O，S等原子2p电子的自旋极化。对于与MgO具有相同结构的SrO体系，迄今为止，还没有对同时含有中性阳离子空位及阴离子替代的SrO的磁性的从头计算研究。通常，纳米颗粒的表面存在着大量的缺陷或空位。因此，对含有中性Sr空位(V0Sr)及C/N掺杂的SrO表面的磁性进行系统的理论研究是十分必要的。因此，本文将用LDA+U方法计算当含有V0Sr空位或用C/N替代O，以及空位和替代同时存在时SrO(100)面的磁性。　　 最近，ZnO由于其在光电子纳米器件方面的重要应用而被广泛研究。密度泛函计算已证明Zn空位可以在ZnO纳米薄膜和纳米线中引入磁矩，磁矩来源于Zn空位周围O原子上的未配对2p电子。Zn空位可以在ZnO纳米薄膜和纳米线中引入铁磁性。然而，迄今为止，还没有对纯的ZnO纳米管磁性的理论研究。在这里，用第一性原理计算ZnO(5，0)单壁纳米管(SWNT)的磁性。　　 GaN是一种应用非常广泛的半导体材料。由于具有独特的物理特性，并且是光电子学器件的基础性材料，GaN在过去的几十年中被广泛研究。GaN有两种不同的晶体结构：纤维锌矿结构(空间群P63mc)和立方结构(空间群F4-3m，)。实验上观测到的RTFM是由于纳米颗粒的表面存在缺陷，而纳米颗粒的内部仍然是抗磁性的，Ga空位可以在纤维锌矿结构的GaN半导体纳米颗粒中产生铁磁性。立方相的GaN一般处于亚稳态，在激光泵浦方面有着重要的应用价值。本文将用第一性原理计算当存在中性的Ga空位(V0Ga)和中性的N空位(V0N)时，立方相GaN的(100)和(101)面的磁性。　　 近来，以(001)取向的MgO作为势垒(tunnel barrier)的磁性隧道结(MTJ)由于其在硬盘驱动(HDD)读取磁头及磁性随机存储器(MRAM)方面的重要应用而引起了物理学家的广泛关注。据已有的理论研究报道，Fe/MgO/Fe磁性隧道结的磁阻变化率可以高达1000％，实验上却只达到300％。人们普遍认为，层间交换耦合(IEC)是磁性隧道结两端铁极间磁耦合性质的重要度量。MgO势垒的不完美性是影响Fe/MgO/Fe(001)MTJ性质的重要因素。但目前还没有对该体系界面处的中性Mg空位对体系界面磁性及层间交换耦合(IEC)的影响的细致研究报道。因此，本文用LDA+U方法计算了Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道结界面处的V0Mg空位对界面磁性和IEC的影响。　　 电离辐射能造成DNA的直接或间接损伤。对于直接损伤，能量直接被DNA吸收生成自由基及其衰落产物。间接损伤来自于辐射在DNA所处的环境中形成的自由基对DNA的攻击。这些自由基主要来自于水，其中·OH是最主要的种类。·OH可以和DNA碱基发生加合或脱氢反应，生成羟基化自由基和脱氢自由基。已有许多工作致力于研究脱氢及加合反应对DNA碱基的初级损伤。然而，目前大多数已有文献报道都致力于探究DNA碱基的损伤机制及·OH自由基攻击DNA碱基的加合及脱氢反应可能生成的产物。由于强电离辐射导致·OH自由基攻击DNA碱基造成的损伤，如果不及时修复，就有可能导致疾病的发生。因此，研究·OH自由基攻击DNA碱基生成的产物的自旋极化或磁学性质对于理解辐射对DNA的损伤是非常重要的。本文将用从头计算研究加合反应及脱氢反应生成的DNA自由基的磁性。　　 本论文的计算得到的主要结论如下：　　 1.对于含有不同浓度的中性Mg空位(V0Ng)和O空位(V0O)的MgO的d0磁性，第一性原理计算表明，纯的块体MgO是无磁性的，V0O空位不能在体系中引入磁矩，而V0Mg空位可以在体系中引入FM。所产生的FM不但和V0Mg空位的浓度有关，还和其在体系中的分布有关(对于特定浓度的V0Mg空位而言)。随着V0Mg空位浓度的增大，体系的磁性也会变强。磁性产生的原因是V0Mg空位周围O的2p电子的自旋极化。LDA+U的计算结果表明，当V0Mg空位浓度为6.25％时，体系呈现出半金属性质，该发现对当前的自旋电子学领域有很重要的贡献。本文的计算可以用来模拟MgO纳米颗粒近表面区域的磁性。　　 2.对于含中性点缺陷及C/N掺杂时SrO(100)面的磁性，LDA+U计算表明，理想的SrO(100)面是无磁性的。V0O空位不会引入任何磁矩。V0Sr空位可以在体系中引入大磁矩，磁矩主要位于最外原子层空位周围的O原子上。浓度为6.25％的V0Sr空位可以在体系中引入铁磁态。用C或N替代O可以在体系中引入大磁矩，磁矩来源于C/N的2p洞。由于C/N原子的2p电子对O的2p洞具有补偿作用，V0Sr空位及C/N掺杂共存则有可能削弱体系的磁性。　　 3.对于当存在中性Zn空位(V0Zn)及C掺杂(替代O)时(5，0)ZnO SWNT的磁性，GGA计算表明，纯的(5，0)ZnO SWNT是无磁性的，V0O空位也不能在体系中引入任何磁性。V0Zn空位可以在管中引入大磁矩，磁矩主要位于相邻的原子环上的O原子。浓度为6.67％的V0Zn空位可以在体系中引入铁磁性。用C原子替代O原子也可以在体系中引入大磁矩。用一对C原子替代两个O原子可以在体系中引入铁磁性，但只能发生在特定的激发态。　　 4.对于含中性空位的GaN(100)和(101)面的磁性，GGA计算表明，理想的Ga终端的GaN(100)和(101)面是无磁性的。N终端的GaN(100)是不存在的，因为该结构优化后变为Ga终端的GaN(100)面，并呈现出铁磁性。V0Ga空位可以在Ga终端的GaN(100)面引入较大磁矩，这些磁矩呈铁磁性耦合。磁矩产生的原因是由于空位的存在导致了N原子2p电子的自旋极化。在GaN(101)面，V0N空位不会带来任何磁矩，而V0Ga空位又可能使体系呈反铁磁态。认为立方相GaN的室温铁磁性(RTFM)来源于纳米颗粒表面Ga空位的存在或表面重构形成的新表面态。　　 5.对于Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道结界面处的V0Mg空位对界面磁性和层间交换耦合(IEC)的影响，LDA+U计算表明，由于Fe的3d电子对V0Mg空位引入的2p洞的电荷补偿效应，V0Mg空位并不能像在MgO纳米磁料中那样在Fe/MgO/Fe(001)MTJ的界面处其周围的O原子上引入局域性磁矩。和完美的Fe/MgO/Fe(001)MTJ不同，当界面处存在V0Mg空位时，体系的IEC随着MgO势垒厚度的增加呈现震荡性质。V0Mg空位的浓度变化也会导致IEC呈现震荡性变化，并因此会进一步影响MTJ的隧穿磁电阻变化率。　　 6.对于·OH攻击DNA碱基生成的自由基的磁性，GGA计算表明，加合及脱氢反应可导致碱基自由基内化学键的重构(除脱H5的胞嘧啶自由基外)。当攻击腺嘌呤和鸟嘌呤中的C4-C5双键发生加合反应时，·OH优先加合到腺嘌呤中的C5位置，或鸟嘌呤中的C4位置，并造成腺嘌呤在C5位置及鸟嘌呤在C4位置发生严重扭曲。自旋极化发生在所有计算的自由基中，使得自由基具有1μB的总净磁矩。所引入的磁矩主要来源于C，N原子2p电子的自旋极化。未损伤的碱基是无磁性的，而受-OH自由基攻击后的DNA碱基具有磁性。