半导体中的自旋流注入是实现半导体自旋电子器件的关键，探寻在室温下对传统半导体高效自旋注入的新型材料是最重要也是最富有挑战性的问题。目前，探寻引入自旋流新材料的研究主要有集中在稀磁半导体及半金属铁磁体两方面。稀磁半导体是指在常规半导体中掺入磁性元素，使半导体具有自旋极化特征，从而产生自旋流。而半金属铁磁体具有100％的自旋极化率，外延生长在半导体上能作为自旋流注入源。同时，第一性原理计算方法作为一种不需要任何经验参数的理论计算方法，能在电子结构层次上分析材料各种性能的微观起源，解释实验现象，同时还能对材料的性能进行相关预测，起到指导实验的作用，越来越受到材料科研工作者的重视。 本论文利用第一性原理计算方法对ZnO：Cu，TiO2：V两类稀磁半导体以及二元V基Zinc—blende型半金属铁磁体进行了理论研究。在对稀磁半导体的研究中，我们除了研究过渡金属原子间的磁性相互作用外，还利用计算缺陷形成能的方法，对磁性原子掺入的可能性及过渡原子的价态对其磁性的影响进行了讨论。而这又涉及制备样品的环境及样品的电导极性，通过我们的计算能对样品的制备提出相关建议及意见。在V基ZB型半金属铁磁体中，我们采用了二维应力模型，对外延生在半金属的电子结构稳定性和几何结构稳定性做了相关讨论。 论文的主要安排如下，在第一章中，我们对稀磁半导体及半金属铁磁体的研究现状进行了介绍。第二章主要介绍第一性原理计算的理论基础。 第三章主要介绍ZnO：Cu的研究结果。我们利用72个原子的超晶胞计算了Cu掺入ZnO的缺陷形成能。发现CuZn在富氧态情况下具有较低的形成能，表明可以有较大量的Cu替代到Zn上。费米能级在p型区域时，Cu易形成+2价，超晶胞具有1μB/Cu的磁矩。而费米能级在n型区域时，Cu易于形成+1价，没有磁矩。Cu本身是一个弱p型杂质，在富氧态时，能使费米能级来到p型区域，而在富金属态时，由于其它n—型本征缺陷（Zni，Vo）形成能较低，费米能级依然在n型区域。在超晶胞计算2个Cu2+原子之间的磁性耦合关系，Cu2+之间的磁性耦合关系为短程且具有一定方向性的铁磁性耦合关系，其磁性来源于p—d跳跃相互作用。这就说明p—型的ZnO：Cu具有磁性，而n—型的ZnO：Cu没有磁性，解决了实验上的矛盾争端。进一步我们还计算了3个Cu2+原子在超晶胞中的分布构型及磁性耦合关系，发现Cu2+有聚在一起形成Cu—O—Cu的趋势，并且保持铁磁性关系，这与实验报道相一致。 第四章主要介绍TiO2：V的研究结果。我们利用48个原子的超晶胞计算了V掺入TiO2的缺陷形成能。富金属态较富氧态时，VTi有更低的形成能，表明V更容易替代到TiO2中的Ti晶格上。费米能级在p型区域时，V易形成+5价，由于其没有d电子而不具有磁矩。而费米能级在n型区域时，V易形成+4及+3价，超晶胞分别具有0.938μB和1.644μB的磁矩，这与V原子拥有的d电子数目较为一致。V4+对与V3+对均保持铁磁性耦合关系，其磁性来源于p—d跳跃相互作用。这就说明p型TiO2：V样品不具有磁性，而n型样品具有磁性。同样我们计算了n型共掺杂元素F，Cl及p型共掺杂元素N掺入TiO2中的形成能，同样在富金属态它们替代氧的形成能较低，这意味着V与共掺杂元素能在富金属态时能共同掺入TiO2中。F与Cl能使V稳定到+3价，使样品磁性加强，而N使V稳定到+5价，将使样品的磁性消失。 第五章主要介绍二元V基Zinc—blende型半金属铁磁体的研究结果。在对其模拟中，我们采用更接近外延生长实验的二维应力模型，对其电子结构稳定性及几何结构稳定性进行了讨论。在电子结构稳定性方面，二元V基ZB型化合物基本满足铁磁性耦合条件，但只有VSe，VTe，及VAs在我们所考虑的衬底范围基本保持半金属性，衬底晶格常数变化对自旋翻转带的影响不大。在几何结构稳定性方面，我们设计了界面最优匹配模型，对其基态NiAs结构与半导体衬底的匹配进行了前期预测。二元V基化合物的ZB结构外延能量始终高于使用最优匹配模型的NiAs型结构的外延能量，其几何结构稳定性难于满足，意味着难以在ZB型半导体衬底上生长获得较厚的ZB型半金属薄膜。对其他文献报道的具有实现前景的两种ZB型半金属铁磁体CrSe与MnSb，我们发现其几何结构稳定性同样也难以满足。因此对ZB型半金属铁磁体的研究需更注重于考虑表面及界面效应的超薄薄膜的研究。 第六章给出了本论文的总结。