氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料的典型代表,越来越受到人们的广泛关注。纤锌矿相GaN是一种宽禁带半导体材料,它的导热率高、击穿电压高、熔点高、导热系数高以及化学稳定性好,在高功率、高温和高电子迁移率等微电子器件和光发射二极管、光探测器等光电子器件中都有广泛的应用。掺杂和吸附是两种调制材料性能的方式,通过替位掺杂或者表面吸附,可以改变材料的晶格常数,进而改变材料的能带结构及其光电性能。本文基于第一性原理计算,通过Material studio软件模拟本征点缺陷、吸附金属原子对GaN(0001)表面光电性能的调制以及过渡金属原子掺杂GaN单层结构的磁性能。本文的主要研究内容和成果如下:1.通过对比GaN块体结构、GaN(0001)表面、GaN单层等三种GaN结构的电子性能发现,GaN块体属于直接禁带,而GaN(0001)表面和G-GaN单层(ML)均属于间接禁带。GaN(0001)表面的带隙最大,而GaN单层的带隙最小。三种结构的态密度变化不大,只是下价带、上价带、导带所对应的能量范围发生了变化。2.通过分析能带结构、分波态密度(PDOS)、介电函数、吸收系数、反射率、折射率等的变化研究了不同点缺陷对GaN(0001)表面光电性能的影响。结果表明,能带结构中带隙值显著降低甚至带隙消失,部分点缺陷导致费米能级进入导带或者价带中。态密度中,下价带、上价带、导带的位置、涵盖的能量范围以及构成他们的电子态发生了变化。各光学参数的最大值明显减小,光学曲线涵盖的能量区间也都向着低能方向偏移。其中,光吸收的范围涵盖了可见光及以下的红外区域,可应用于红外探测等光电领域。3.通过在GaN(0001)表面引入不同浓度的点缺陷发现,带隙值进一步减小。在态密度中,不同的点缺陷引起上价带、下价带以及导带涵盖的能量范围发生了不同的改变。在光学性能方面,光学曲线涵盖的能量区间依然集中在低能区域。但是依点缺陷类型的不同,各光学参数都有一定程度的变化但变化趋势各不相同。4.通过分析能带结构、分波态密度(PDOS)、功函数、介电函数、吸收系数、反射率、折射率等的变化研究了不同活性的金属(Na、K、Al、Ni、Ru、Au)原子吸附GaN(0001)表面的光电性能。结果表明,带隙值显著减小且能带由间接禁带转变为直接禁带,部分吸附导致带隙消失。态密度中,构成上价带、下价带、导带的电子态发生变化,在不同的能量区域中引入了金属原子的电子态。吸附原子和GaN(0001)表面之间发生轨道杂化,彼此间有一定数量的电子发生转移。除了Au吸附之外,其他原子吸附后GaN(0001)表面的功函数明显降低。各光学参数的最大值明显减小,光学曲线涵盖的能量区间变窄并向着低能方向偏移。但在低能范围内涵盖了可见光区域甚至以下的红外区域,可应用于红外探测等光电领域。5.在GaN(0001)表面增加吸附原子的浓度后发现,除了Ru吸附外,其他原子的吸附使得带隙消失甚至杂质能级与导带底或者与价带顶之间的带隙减小。在态密度中,费米能级附近的轨道杂化以及电荷的转移情况发生了改变。在光学性能方面,各个光学特性曲线涵盖的能量范围有所增加。但是依吸附原子类型的不同,各光学参数都有一定程度的变化但变化趋势各不相同。6.通过分析结合能、能带结构、电子转移、自旋极化态密度的变化研究了一些3d系列过渡金属(TM)原子(Sc、Ti、Cr、Fe、Co、Ni)和4d系列TM原子(Y、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd)替位掺杂类石墨烯GaN ML结构的磁性能。结果表明,TM原子掺杂之后能带的斜率发生变化,GaN ML和TM原子之间有一定的电荷转移。在Sc、Y、Ti、Zr掺杂的GaN ML结构中,带隙有所变化,能带中自旋向上的电子态和自旋向下的电子态几乎一致,磁矩为零。在其他TM原子掺杂的GaN ML结构中,带隙很小甚至消失。在自旋向上和自旋向下能带中,电子占据简并和非简并轨道的情况不对称性,产生非零磁矩。对于Cr或Rh掺杂的GaN ML,体系呈现出半金属的特性,对应于载流子的100%自旋极化,是自旋电子器件的最佳候选材料。7.在GaN单层结构中掺杂2倍浓度TM原子后发现,双Fe、Co、Rh、Pd原子掺杂GaN ML的磁矩是其单原子掺杂的两倍。双Cr、Ni、Mo、Ru原子掺杂GaN ML的磁矩小于其单原子掺杂的两倍。掺杂浓度的增加使得自旋向上或自旋向下的电子态与费米能级之间的相对位置由于电子态的移动而变化,导致一些掺杂体系的性质发生改变。当两种不同的TM原子共同替位掺杂时,受彼此间杂化的影响,总磁矩也不等于两种原子分别掺杂时磁矩的总和。