核科学与核技术的发展为人类社会带来了巨大利益。当今世界无论在军事还是核能工业,甚至在工业和医学中放射性材料的使用也非常广泛,但是放射性同位素的生产、使用等也不可避免地带来了某些直接或潜在的危害。核科学技术和公共安全都对核安全提出了越来越高的要求,与之密切相关的核废料固化和核辐射探测材料的研究也成为科学界的热点话题。本文基于密度泛函理论,就近年来在科学界与辐射防护密切相关的核废料固化和核辐射探测材料的结构和性能进行了研究,主要内容如下:1.利用Hubbard U校正的密度泛函理论研究了Pu掺杂在Gd₂Zr₂O₇中的溶解行为,从原子角度揭示了Pu在Gd₂Zr₂O₇中的固化机理。研究结果表明,PuGdZr₂O₇、Gd₂PuZrO₇和Gd₂Pu_1.5Zr_0.5O₇的形成是放热反应,而形成Pu_0.5Gd_1.5Zr₂O₇、Pu_1.5Gd_0.5Zr₂O₇和Gd₂Pu_0.5Zr_1.5O₇是吸热反应。计算结果显示,Pu均可以固化在Gd和Zr晶格位点,并且Pu固化在Zr位增强了Gd₂Zr₂O₇的抗辐照性能。Pu在Gd₂Zr₂O₇中的取代位置取决于所处的化学环境:在富Gd和O₂的条件下Pu倾向于占据Gd位置,而在富Zr和O₂的条件下Pu倾向于占据Zr位置。2.利用第一性原理方法系统地研究了Gd_2-yTh_yZr₂O₇和Gd₂Zr_2-yTh_yO₇的力学稳定性、弹性模量、德拜温度、热导率和电子结构。计算结果显示含有Th的Gd₂Zr₂O₇化合物在结构和力学性能上具有稳定性。与纯态Gd₂Zr₂O₇相比,将Th掺入Gd位和Zr位通常会导致更好的延展性、更低的德拜温度和更小的热导率。根据Th掺杂剂含量的变化,热导率的降低可高达25-32%。研究结果表明,掺有Th的Gd₂Zr₂O₇,尤其是Gd₂Zr_2-yTh_yO₇,比纯态具有更好的力学和热性能,这将有利于其在极端条件下的应用。3.通过第一性原理研究了一系列Gd位和Zr位取代的Gd₂Zr₂O₇烧绿石的结构、机械、热学和电子性质。半径更小和质量更重(与Gd³⁺比较)的Yb³⁺占据Gd³⁺会引入强声子散射,导致Gd_1.5Yb_0.5Zr₂O₇具有比纯相更低的导热系数,而用半径更大、质量更轻的La³⁺代替Gd³⁺则不会像Yb³⁺掺杂大幅度降低Gd₂Zr₂O₇的热导率。Gd₂Zr₂O₇中Zr⁴⁺位被Ti⁴⁺、Hf⁴⁺和Ce⁴⁺取代后,Gd₂Zr_2-yTi_yO₇和Gd₂Zr_2-yHf_y O₇组分的热物理性质发生微小变化,而Ce⁴⁺取代Zr⁴⁺位则导致更小的杨氏模量、更好的延展性以及更低的德拜温度和热导率。随着Ce含量的增加,杨氏模量下降了22.2-59.9 GPa。根据热导率计算模型,当Zr原子完全被Ce取代后,Gd₂Zr₂O₇的导热系数降低了21%。这主要是由于较大的客体离子掺入削弱了键相互作用,结果导致主体化合物中的声子散射增强和热导率有效降低。4.基于密度泛函理论,预测了CdS/ZnS体相异质结构的带隙宽度如何随异质结构组分的变化而改变。我们发现,这些异质结构在热学上和力学上都是稳定的。与纯相比较,异质结构中CdS和ZnS的带隙分别减少了14.5%和43.3%。此外,异质结构中组分含量在调节带隙中起着至关重要的作用。随着CdS层数的增加,带隙首先减小,并在（CdS）₅/（ZnS）₅处达到最小值,随后又略微增加。（CdS）_m/（ZnS）_n（m≥1,m+n=10或≥10%CdS）异质结构的带隙范围为2.06-2.72 eV。这些结果表明,将CdS和ZnS半导体构建成层状异质结构是带隙工程设计的有效策略。5.基于杂化密度泛函理论,研究了Ag掺杂如何影响CdSe纳米晶的几何结构、能量和电子性质的影响。计算结果显示,Ag原子无论掺杂在表面还是核区域都倾向于朝向CdSe纳米晶的内部移动。然而,纳米晶的电子结构严重地受到Ag掺杂剂位置的影响,并伴随有半导体性质-金属性的转变。研究还发现,Ag杂质数量的增加将减弱纳米晶的稳定性,在小于2nm的CdSe纳米晶中,Ag原子的掺杂数量应小于3。本工作揭示了Ag掺杂如何影响CdSe纳米晶的结构和电子性质的潜在机制,这可能对CdSe纳米晶在核辐射探测器件中的应用具有重要意义。6.基于杂化密度泛函理论方法,研究了Cu杂质对CdSe纳米晶结构、电子性质以及Cu氧化态的影响。结果发现将Cu杂质掺入Cd₃₃Se₃₃纳米晶表面会导致非磁性的Cu 3d轨道分布和Cu⁺¹的氧化态,而在纳米晶的核区域掺杂Cu原子导致Cu⁺¹和Cu⁺²的氧化态,这取决于纳米晶中Cu原子的局部环境所引起的Cu 3d轨道不同的分布位置。本文也研究了诸如硫之类的还原剂对掺杂纳米晶中Cu氧化态的影响。目前的结果使我们能够使用基于科学的原理来控制CdSe纳米晶中Cu杂质的引入,并实现其在电子器件中的特殊物理特性。本文用于解析Cu掺杂的CdSe纳米晶的结构和电子方法可以扩展到其它掺入具有可变化合价过渡金属离子的半导体纳米晶。