电子材料是现代电子工业的物质基础,而半导体材料（如Si、Ge、GaAs、AlAs、Si C等）作为电子材料的一个重要的组成部分,被广泛应用在航空航天、引力波探测、高能物理以及尖端武器等领域。在上述应用中,这些材料和器件会时刻暴露在各种辐照环境中（比如中子、质子和电子辐照等）,材料内部会生成各种类型的缺陷,而且缺陷的迁移和聚集会改变材料的微观结构进而影响材料的性能,严重时会危害系统的正常运行。因此,研究半导体电子材料的辐照损伤效应,探索增强其抗辐照能力的方法,对确保半导体电子器件在空间辐照环境中正常有效地工作具有重要的意义。在本工作中,主要采用从头算分子动力学方法研究了第一代半导体（Si和Ge）、第二代半导体（GaAs和AlAs）、第三代半导体（3C-Si C）以及半导体超晶格材料（Si/Ge和GaAs/Al（Ga）As超晶格）的辐照损伤效应,具体研究内容如下:首先,我们采用从头算分子动力学方法模拟了体相Si、Ge和Si/Ge超晶格的低能电子辐照损伤效应,探索了体相材料与超晶格材料抗辐照性能差异的物理根源。计算结果表明,位移阈能依赖于初级撞出原子的种类以及能量入射方向。在体相Si、Ge材料中的原子沿着[110]方向很难离位形成缺陷;在Si/Ge超晶格中Si原子沿[111]方向较难离位形成缺陷,而Ge原子沿[110]方向比较难形成缺陷。相较于体相Si的位移阈能,Si/Ge超晶格中Si原子的位移阈能普遍更大,表明超晶格结构的形成有助于提升材料的抗辐照性能。此外,我们还发现空位缺陷在体相Si、Ge材料中更容易形成和迁移,而这样会导致材料内部结构发生改变并造成材料宏观性质的变化（材料密度降低、体积肿胀、韧性下降等）,进而影响体相材料的抗辐照损伤性能。其次,我们采用从头算分子动力学方法模拟了体相GaAs、AlAs以及GaAs/AlAs、GaAs/Al GaAs超晶格的低能电子辐照损伤效应,探索了增强其抗辐照性能的方法。计算结果表明,AlAs的位移阈能一般高于GaAs的位移阈能,说明AlAs中的原子更难离位形成缺陷。对于GaAs/AlAs超晶格而言,Ga和Al原子的位移阈能与体相结构中Ga和Al原子的位移阈能比较接近,而As原子通常需要更高的辐照能量才能离位形成缺陷,这说明GaAs/AlAs超晶格表现出不同于体相结构的抗辐照损伤性能。随后,我们研究了点缺陷对GaAs/AlAs超晶格电子结构的影响,结果发现空位和间隙缺陷会导致GaAs/AlAs超晶格的带隙宽度减小,甚至使超晶格呈现金属性。同时,空位和间隙缺陷还会导致GaAs/AlAs超晶格电子迁移率明显降低,而反位缺陷对超晶格结构的电子迁移率的影响较小。通过对比GaAs/AlAs和GaAs/Al GaAs半导体超晶格的辐照响应,我们发现在AlAs层引入Ga原子后,GaAs/AlAs半导体超晶格的抗辐照性能得到了一定程度的提升。其原因在于GaAs/Al GaAs超晶格中的势能增量普遍要高于GaAs/AlAs超晶格中的势能增量,因此GaAs/Al GaAs超晶格中原子需要更高的辐照能量克服势垒形成缺陷。此外,我们还研究了温度和辐照能量对半导体材料辐照损伤效应的影响。计算结果表明,在300～1200 K的温度区间内,半导体材料的位移阈能变化不大。GaAs/AlAs和GaAs/Al GaAs超晶格在不同辐照能量下表现出不同的辐照响应,即在更高辐照能量下GaAs/AlAs超晶格中有更多的原子参与级联碰撞事件,导致生成更多的缺陷;而GaAs/Al GaAs超晶格在更高辐照能量下的辐照损伤终态基本不变。最后,我们采用从头算分子动力学方法模拟了3C-Si C的低能电子辐照损伤效应,将其结果与Ti C和Zr C的级联碰撞事件进行了比较;并研究了堆垛层错对3CSi C抗辐照损伤性能的影响。计算结果表明,3C-Si C中C原子的平均位移阈能均小于Si原子的平均位移阈能,即C原子级联碰撞事件在3C-Si C级联碰撞事件中占据主导地位。同样地,Ti C和Zr C中C原子也比较容易离位形成缺陷。此外,我们发现在3C-Si C中的缺陷态主要包含弗伦克尔对和反位缺陷,而在Ti C和Zr C中弗伦克尔对缺陷占主导地位。态密度和电荷密度分析的结果表明,<Si-C>键呈现共价性,而<Zr-C>键和<Ti-C>键呈现共价、金属和离子性。根据Trachenko模型,我们推测过渡金属碳化物会表现出更加优异的抗辐照性能,这与从头算分子动力学的模拟结果以及已有的实验结果是一致的。随后,我们研究了堆垛层错对3C-Si C抗辐照性能的影响。与理想态3C-Si C相比较,含有堆垛层错的3C-Si C中Si和C原子通常需要更高的能量才能离位形成稳定的缺陷,说明堆垛层错的存在提升了3C-Si C的抗辐照性能。此外,我们还发现当3C-Si C中存在堆垛层错时,初级撞出原子与其近邻原子之间的库仑屏蔽作用更强,其生成缺陷的能垒也更高,即需要更高的能量才能使初级撞出原子离位形成稳定的缺陷。通过对三代半导体材料抗辐照损伤性能的系统研究,我们发现3C-Si C的平均位移阈能明显大于第一、二代半导体材料的位移阈能,说明在辐照环境下3C-Si C更加适用于各类电子器件及电路。同时,针对上述半导体材料我们也分别提出了提升它们抗辐照损伤性能的思路,即对于Si、Ge来说,形成Si/Ge超晶格结构可明显提升其抗辐照损伤性能;对于GaAs、AlAs来说,形成GaAs/AlAs超晶格结构并在AlAs层掺入一定量的Ga可以优化其在辐照环境中的性能;对于3C-Si C而言,引入堆垛层错可明显提升其抗辐照损伤性能。总之,本研究以第一性原理精度确定了不同半导体（超晶格）材料的位移阈能,并从原子尺度分析了缺陷的类型和形成机制,为实际应用中如何提升半导体电子材料的抗辐照损伤性能提供了理论指导。