借助计算机,通过理论计算、数值模拟对材料的结构和性质进行预测与设计,以最大限度地减少因盲目或错误实验造成的浪费,是当今材料研究领域的一个方兴未艾的领域。运用局域密度泛函理论可将多电子系统转化为单电子系统,由此对各类半导体材料和金属材料的结合能、晶格常数、体变模量做计算得到了与实验符合很好的结果,使之成为近年来电子理论中的一项重要的成就。能带理论的研究是从定性的普遍性规律发展到对具体材料复杂能带结构的计算。在密度泛函理论的框架下,出现了很多算法,常用的有基于原子轨道线性组合的紧密束缚法(LCAO.TB)、正交平面波(OPW)、平面波赝势(PWP)、线性缀加平面波方法(LAPW)、线性Muffintin轨道组合方法(LMTO)等等。以GaN、InN为首的Ⅲ族氮化物,以其优异的物理化学性质,在电学、热学、光学等方面都有着广泛的应用,因此国内外众多研究者多年来一直致力于这些材料的研究。但是,由于制备工艺以及研究手段的限制,在许多方面仍有许多问题没有得到解决。本论文利用平面波赝势密度泛函方法,对典型Ⅲ族氮化物半导体材料(GaN、InN)进行了理论研究。本项研究不仅具有较为重要的理论研究价值,而且有着十分广阔的应用前景。具体内容包括:第一章简要介绍了Ⅲ族氮化物材料的结构和性质,系统地总结分析了Ⅲ族氮化物半导体材料的研究现状和制备方法。第二章主要阐述了密度泛函理论和CASTEP软件包的功能特点。第三章中基于密度泛函理论,采用广义梯度近似(GGA)方法,计算了Al、Mg掺杂的闪锌矿型GaN的电子结构和光学性质,分析了其电子态分布与结构的关系,给出了掺杂前后GaN体系的光学函数。计算结果表明掺有Mg的GaN晶体空穴浓度增大,会明显提高材料的电导率,而Al掺杂GaN晶体的载流子浓度不变,只是光学带隙变宽;分析了两种掺杂情况的Mulliken电荷分布和沿键方向的重叠布局,掺杂原子Al和Mg所带正电荷都比任何一类Ga原子也要大,说明掺杂原子Al和Mg的电负性比Ga原子小而更易失去电子:通过分析掺杂前后GaN晶体的光学函数,解释了体系的发光机理,为GaN材料光电性能的进一步开发与应用提供了理论依据。通过比较可知,所得出的计算结果与现有文献符合得很好。第四章中基于密度泛函理论,采用平面波赝势方法研究了不同压强下闪锌矿型InN的几何结构、电子结构和光学性质。分析得出:随着外界压强的增大,晶格常数不断减小。通过对比不同压强下的态密度分布图,发现导带电子逐渐向高能方向偏移而价带电子向低能方向偏移,导致能带间隙逐渐增大。同时,根据Mulliken电荷和价键的布居数,发现In-N键的离子性较强且在压力的作用下仍具有很强的离子性。研究发现InN的光吸收谱在压力的作用发生了“蓝移”。第五章从第一性原理出发,在广义梯度近似(GGA)下,采用基于密度泛函理论下的平面波赝势法研究了Cr、Mn掺杂InN电子结构和磁学性能。研究结果显示:未掺杂的InN不具有磁性,而掺杂后都具有铁磁性,磁距分别为:2.44μB、3.24μB,磁性主要来源于Mn或Cr的d-d交换作用,p-d杂化使N和In的p态电子也提供了磁矩;掺杂原子与最近邻的N原子之间是反铁磁性偶合,而与最近邻的In原子和周围次近邻的N原子之间是铁磁性偶合的:随着掺杂浓度的减少,总磁矩在减少但掺杂体系仍具有铁磁性。最后是本论文的总结和展望。