稀磁半导体是一类部分基质阳离子被磁性原子或稀土元素原子所取代的半导体，它作为未来自旋电子器件的关键材料，正受到全世界的极大关注，成为自旋电子学这个新领域的研究热点之一。Dietl等人利用平均场理论预测过渡金属掺杂ZnO的居里温度高于室温，使之成为Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ半导体材料体系中最为重要的一类稀磁半导体。目前，ZnO基稀磁半导体材料的研究重点主要包括磁性机理研究、高居里温度材料的制备等方面。由于稀磁半导体中铁磁性的产生过程十分复杂，造成不同实验结论之间、实验与理论预测方面存在很大的冲突和矛盾。不管是验制备方面还是机理研究方面，关于ZnO基稀磁半导体的研究仍然处于起步阶段。本文采用第一性原理计算方法对ZnO基稀磁半导体的磁性机理进行了研究和探讨。本文分为四个部分：　　 第一部分介绍了研究工作所涉及的基本理论和第一性原理方法。介绍了密度泛函理论，包括密度泛函理论的基本思想、Hobenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程和交换关联近似(局域密度近似和广泛梯度近似)等。并对基于平面波赝势法的VASP程序包的特点以及我们在第一性原理计算方面尝试性应用作了介绍。　　 第二部分计算了各种3d过渡金属原子掺杂的本征态ZnO稀磁半导体的能量、电子结构，研究了掺杂构型对磁性状态稳定性的影响。通过对不同掺杂构型所导致的磁稳定性差异，探索了各体系中铁磁态稳定性或反铁磁态稳定性的形成机理。体系最终的磁性状态由分裂的亚轨道上的电子占据态决定，当3d轨道恰好半满时，由于杂化轨道电子之间的超交换作用，体系表现为反铁磁性；当3d轨道不是半满时，体系最终的磁性状态由铁磁性交换和反铁磁性交换的相互竞争决定。　　 第三部分重点研究了引入“虚拟电子”的Co掺杂ZnO体系。不同Co掺杂构型对体系磁性状态的影响不同。对于本征态的(Zn，Co)O体系，由于Co2+离子间较强的反铁磁超交换作用，不同掺杂构型均表现为反铁磁性状态，引入电子有利于铁磁态的稳定。阐述了引入电子导致的铁磁态稳定效应的机理，并且对铁磁态稳定作用与Co掺杂构型之间的关系进行了讨论。研究表明：增加巡游d电子的数量，有利于铁磁耦合；增大Co离子的掺杂量，减小了Co-Co间距，有利于铁磁作用。不过在样品制备中满足以上两个条件是非常困难的。如果上述两个条件在样品制备中只能部分得到满足，铁磁性有序将出现在有限的局部区域，大部分区域为自旋玻璃态，这样导致弱的自发磁化强度。　　 第四部分系统研究了Co、Al共掺(n型)的ZnO体系中Al的不同掺杂构型对体系磁性的影响，通过对不同构型中体系电子结构的分析，探索Co、Al共掺ZnO稀磁半导体的磁性机理。从杂化效应和几何效应出发，通过对不同构型在能量上的稳定性进行比较，说明掺杂浓度对体系磁稳定性的影响。研究结果表明：在Co、Al共掺杂的ZnO体系中铁磁性是双交换机制和RKKY机制的共同作用的结果，RKKY作用对铁磁态的稳定效应要比双交换作用大，是铁磁态主要的形成机制。适当增加Al掺杂浓度不仅能提高居里温度而且也能增大体系的玻尔磁矩，但居里温度提高及玻尔磁矩增大随Al掺杂浓度变化存在一个临界点，当浓度超过临界点时居里温度及玻尔磁矩将会有所下降。