半导体功能材料是光电子信息和能源等多领域的基础材料。本征半导体材料通常具有一些固有缺陷,例如较差的稳定性、较低的能量转换效率和部分组成元素有毒等。因此,结合半导体材料的本征性质,探索有效的方法对材料的光电性能进行调控优化是功能材料研究领域的重要课题。本论文运用合金化和杂质掺杂两种调控手段,通过基于密度泛函理论的材料模拟和实验结合的方法,对三种具有代表性的半导体材料体系,进行了系统的光电性能调控优化研究,取得了如下创新性成果:（1）通过范德华SnSe2（1-x）S2x合金实现SnX2（X=S,Se）层状晶体的物性调控。随着电子器件微型化的发展,二维半导体材料受到了极大关注。二硫化锡（SnS2）和二硒化锡（SnSe2）属于同构型范德华层状晶体,具有低成本和无污染等优良特性,在电子、光电子和热电子等领域具有潜在的应用价值。少层SnS2和SnSe2可以通过简单地机械剥离法获得。然而,SnS2和SnSe2的面内晶格常数和层间结合能等物理性质与层厚度相关性很小。我们通过第一性原理计算和实验相结合的方法,研究了范德华SnSe2（1-x）S2x合金的一些重要物理性质。SnSe2（1-x）S2x合金具有良好的室温混溶性,倾向于形成无序固溶体。SnSe2（1-x）S2x合金的带隙值随着S浓度增大而增大,且具有较大的带隙弯曲系数,归因于Se和S原子的半径和轨道能存在较大差异。随着S浓度增大,SnSe2（1-x）S2x合金的电-声耦合作用增大,源于Sn-S共价键合强于Sn-Se。SnX2（X=S,Se）的电子有效质量沿平面内方向较轻,而空穴有效质量沿平面外方向较轻,这会使得SnSe2（1-x）S2x合金中空穴具有准一维特性和电子具有准二维特性。（2）采用Ba元素掺杂全无机CsPbX3（X=Cl,Br,I）钙钛矿体系,调控体系毒性、热力学稳定性和光电特性。有机-无机杂化卤化物钙钛矿（ABX3;A=MA,FA;B=Pb;X=Cl,Br,I）因其优异的光电性质广泛应用于光电器件领域。然而,此类钙钛矿材料稳定性差且含有毒性元素Pb,限制了其商业化的大规模应用。全无机卤化物钙钛矿（CsPbX3,X=Cl,Br,I）呈现出优异的光电性质且稳定性增强,但毒性问题依然未得到有效解决。通过基于第一性原理计算的无序合金结构搜索方法,系统研究了Ba掺杂CsPbX3（X=Cl,Br,I）钙钛矿体系的稳定性和光电特性。低Ba掺杂浓度时,Ba不易于掺进钙钛矿晶格中;高Ba掺杂浓度时,形成室温下稳定的无序固溶体。随着Ba浓度升高,CsPb1-xBaxX3体系的带隙值单调递增且拥有较宽的调控区间（1.74～5.12 eV）,同时载流子有效质量增大,归因于Ba与Pb相比具有较大的离子半径和较小的电负性。CsPb1-xBaxX3体系中,大量空穴和电子局域在Pb周围,形成了类似于量子阱的局部势阱,有利于增大量子产率。高Ba掺杂浓度的CsPb1-xBaxX3钙钛矿体系稳定性大幅度提升且毒性降低,因其拥有的带隙值比较大（>2.8 eV）,将在短波段（如紫外或近紫外光）发光二极管或辐射探测器等领域具有潜在的应用价值。（3）引入过渡金属氧化物和有机分子,分别实现了p型和n型表面电荷转移掺杂金刚石,并研究了影响掺杂效果的潜在因素。金刚石是一种典型的超宽禁带（～5.47 eV）半导体材料,具有高硬度、高热导率、高击穿电场和低介电常数等优异特性,是业界公认的“终极半导体材料”。但是,已知的体掺杂剂具有较高的激活能或较低的载流子浓度,限制了金刚石基电子器件的发展。基于第一性原理计算,通过表面电荷转移掺杂方法,实现了金刚石的高效掺杂。过渡金属氧化物诱发氢终端金刚石（diamond（100）:H）产生p型表面电导率。随着MoO3分子密度增加,空穴面密度先迅速增加,然后达到饱和值(6.26×1013 cm-2)。MoO3单层诱发的最大空穴面密度为5.23×1013 cm-2,略低于MoO3分子所诱发的空穴面密度的饱和值,源于MoO3单层中的每个MoO3分子单元相互连接在一起,它们之间的相互作用削弱了MoO3分子从diamond（100）:H中提取电子的能力。因此,零维MoO3分子更适合作为表面受主。CrO3双链和V2O5单层诱发的最大空穴面密度分别为8.00×1013 cm-2和5.24×1013 cm-2。二维过渡金属氧化物的导带底（CBM）与diamond（100）:H的价带顶之间的能级差、二维过渡金属氧化物与diamond（100）:H之间的相互作用和二维过渡金属氧化物的厚度等越大,空穴面密度越大。利用有机分子实现了氧或氟终端的金刚石（diamond（100）:O/F）的n型表面电荷转移掺杂。筛选出21种有机分子适用于diamond（100）:O,其中有9种适用于diamond（100）:F。单个有机分子所诱发diamond（100）:O和diamond（100）:F的最大电子面密度分别为～2.60×1013 cm-2和9.20×1012 cm-2。以Co Cp2（Co（C5H5）2）为例,研究了有机分子密度和厚度对掺杂效果的影响。随着有机分子密度和厚度的增加,电子面密度先迅速增加,然后达到饱和值(4.06×1013 cm-2)。有机分子的最高占据轨道与diamond（100）:O/F的CBM之间的能级差、有机分子与diamond（100）:O/F的相互作用、分子密度和厚度等越大,电子面密度越大。综上,掺杂效果受表面掺杂剂的维度、厚度和分子密度,以及表面掺杂剂与金刚石表面的能级差和相互作用等因素的影响。我们通过合金化与杂质掺杂,实现了三种具有代表性的半导体材料体系的光电性能优化,推动了其在高性能微型光电子器件中的实际应用,并为调控半导体材料光电性能提供了重要思路。