稀磁半导体（DMS）兼有磁性和半导体的特性,是一种很好的自旋极化载流子源,可用于制造新一代的自旋电子学器件,成为当前国际上磁电子学领域的研究热点。然而,众多实验方法制备出来的稀磁半导体材料的磁性结果有很大的差别,并且对铁磁性的来源也存在诸多争议。本论文主要利用同步辐射X射线吸收精细结构谱学（XAFS）技术和密度泛函理论（DFT）方法,结合X射线衍射（XRD）和超导量子干涉仪（SQUID）等实验方法联合研究了Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ、Ⅳ族等稀磁半导体的结构和性能。通过超导量子干涉仪测量了Mn和（Mn,N）共掺杂ZnO稀磁半导体薄膜的磁学性质,结果表明样品在室温下为铁磁性。XAFS实验结果获得了Mn和（Mn,N）共掺杂ZnO基、Mn掺杂GaN基等稀磁半导体薄膜样品中掺杂原子的价态、分布、和配位环境等结构参数。XAFS分析结果表明ZnO基薄膜样品中Mn和N主要以替代位形式存在、而GaN基薄膜样品中Mn的存在形式由掺杂量决定。利用第一性原理计算,阐明了稀磁半导体体系中掺杂原子的局域结构和存在形式对系统的电子结构和磁相互作用的调控本质。第一性原理电子结构计算表明ZnO基稀磁半导体薄膜样品中的本征缺陷Zn空位和共掺杂原子N在价带顶形成浅受主杂质能级与O的2p态充分杂化调制产生铁磁交换作用。而对于GaN基和Si基稀磁半导体,替代位Mn和间隙位Mn之间发生强烈的d-d直接交换作用,诱导体系表现出宏观铁磁性。实验研究结合理论计算,从微观尺度揭示了系统的原子局域结构与电子和磁学性质的内在联系。本论文主要包括以下内容:1.Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体的结构和磁性研究用XAFS技术和密度泛函理论方法系统的研究了Mn掺杂和Mn、N共掺杂Ⅱ-Ⅵ族ZnO基稀磁半导体薄膜的局域结构、电子结构、和磁学性质。XANES结果表明在金属有机汽相沉积法制备的Zn_0.97Mn_0.03O薄膜样品中,掺杂的Mn离子进入ZnO晶格并占据了Zn离子位。电子结构计算表明样品中的本征缺陷Zn空位在价带顶形成一杂质能级调制产生室温铁磁性。而对于由感应耦合等离子体增强化学气相沉积制备的Zn_0.96Mn_0.04O:N共掺杂薄膜样品,XANES结果表明Mn和N掺杂进入ZnO晶格,且分别占据了Zn和O离子的位置。电子结构分析表明Mn3d和N2p态强烈杂化增强了磁交换作用,从而诱导Mn离子之间由反铁磁耦合转变为铁磁耦合。2.Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体的结构和磁性研究利用XANES和第一性原理计算研究了Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体Ga_1-xMn_xN（x=0.010,0.025,0.100）薄膜中Mn离子的局域结构、电子结构、以及磁性耦合。XANES结果表明在低Mn摩尔浓度的Ga_0.990Mn_0.010N样品中,Mn原子替代了GaN中的Ga位以替位Mn_Ga形式存在。当Mn浓度增加到0.025时,部分Mn原子处于被四个Ga所包围的间隙位Mn_I,并与替位Mn形成了Mn_Ga-Mn_I二聚体。当Mn离子浓度进一步增加到0.100时,样品中的Mn离子主要是以Mn团簇的形式存在。第一性原理计算表明,间隙位Mn在GaN中的形成能较高,因此低浓度下Mn主要以替位式存在。随着掺杂浓度增加,替代位Mn的3d态和间隙位Mn的3d态之间发生强烈杂化,降低了掺杂原子的形成能,因此样品中出现Mn_Ga-Mn_I二聚体。理论计算结果与实验结果相一致。3.Ⅳ族稀磁半导体的结构和磁性理论研究用密度泛函理论系统的研究了Mn掺杂Ⅳ族Si基稀磁半导体的原子结构、电子结构、以及磁性耦合。结果表明Mn原子在Si掺Mn稀磁半导体中趋向于聚集。能量计算结果表明四面体间隙位Mn（Mn_T）通过中介替位Mn(Mn_si)原子的调制作用聚集在一起,形成热力学稳定的Mn_T-Mn_si-Mn_T型复合体。Mn_si和Mn_T之间强烈的d-d交换作用诱导体系中所有的Mn原子相互铁磁性耦合,因此显著的增强了材料的铁磁性。4.氧化物稀磁半导体的电荷补偿共掺杂效应用密度泛函理论方法研究了Fe掺杂金红石TiO₂（110）氧化物稀磁半导体蹦け砻娴牡缱咏峁购痛叛灾省＝峁⑾諪e离子之间是一种铁磁超交换作用,表面氧空位的出现将Fe离子之间的磁相互作用由铁磁性耦合转变为反铁磁性耦合。而共掺杂P元素后,由于P⁵⁺提供的电子载流子有效补偿了Fe³⁺引入的空穴载流子,限制了表面氧空位的产生。我们从理论上提出一种电荷补偿共掺杂方法来增强氧化物稀磁半导体材料的铁磁性和电子输运性质。