针对能源材料领域的研究热点,本论文以常见矿物材料半导体材料为研究对象,对其结构相变和物性调控进行系统研究,因此该研究工作是对以煤炭、石油等为代表的常规矿物材料研究的有益补充,将有效拓展能源材料领域研究的宽度和深度,推进其在技术领域中的应用。目前半导体材料在微电子、光电和磁性器件等能源领域中已被广泛应用,调节其在能源领域中应用（如发光或光吸收性质）的最常见方法是杂质掺杂。该研究方案尽管理论上容易实现,但由于杂质能级和带隙的限制,能够在实验上成功实现的还很少。例如Ga N的p型掺杂已经被广泛应用,而Zn O的p型掺杂迟迟没有进展。为了克服掺杂的瓶颈问题,半导体合金被广泛采用以实现对光学性质的有效调节,该研究方案在实验上相对容易实现。此外通过调控样品实验合成温度和退火时间在基态有序结构中引入无序性也能实现对结构和光学性质的调控,关键是建立温度与结构无序性之间以及无序性与光吸收系数之间的定量关系,能够为实验工作提供直接的指导,以此加速实验研究的进程。本论文以常规半导体合金为研究对象,首先重点关注的是有序结构到无序结构之间的相变和有序结构之间的相变,具体包括同一晶系内的结构相变和不同晶系之间的结构相变,然后关注的是结构相变引起的物理性质主要是光学性质的改变。具体研究内容如下所示:（1）利用特殊准随机结构和蒙特卡洛方法研究了有序结构到无序结构间的相变和物性变化规律。系统研究了Zn O-Be O合金的结构无序性,将最近邻原子对的关联函数定义为结构无序性参数,定义了温度和结构无序性之间的量化关系。当温度高于800K时无序性被引入到有序构型中形成部分无序和部分有序结构,当温度高于1500K时合金结构趋向于完全无序。根据特殊准随机结构方法得到完全无序时合金的能带结构带隙为3.60 e V,完全有序时为4.61e V,部分无序时介于两者之间,通过有序结构实现对结构无序性的模拟。通过模拟的定量关系式可为实验上通过调控温度和退火时间改变光吸收性质提供直接的理论指导。（2）利用第一性原理计算的结构优化方法研究了同一晶系内的结构相变和物性变化规律。研究了单轴应变和双轴应变对Al N-Ga N合金结构相变和电子结构的影响,在双轴拉应变和单轴压应变作用下合金均会由纤锌矿构型转变为类石墨构型,但相变机理却存在本质上的差别。单轴应变时为二阶相变,是由力学和动力学不稳定性引起的。双轴应变时为一阶相变,仅仅是由力学不稳定性引起的。相变发生后能带结构带隙在单轴应变作用下增大,而在双轴应变作用下持续减小,这是因为N-px,py和pz轨道上的电子状态对两类应变的依赖关系是不同的,通过影响p-d轨道耦合强度来改变能带结构中价带顶的位置,最终实现了对光吸收性质的调控。（3）利用基于第一性原理计算的分子动力学方法研究不同晶系之间的结构相变。研究了六方纤锌矿结构到立方岩盐矿结构的转变,预测了两种不同的相变路径。在特定温度和压强作用下,尽管存在纤锌矿到岩盐矿的相变,但d轨道电子占据情况决定了结构演化的具体路径:当d轨道上没有电子占据时,中间结构为亚稳态的六方晶系的类石墨结构;当d轨道被电子占满时,中间结构是不能保持稳定的四方构型。d轨道电子的占据情况决定了材料的硬度,进而决定了结构演化的具体路径,合金或者超晶格的结构演化路径由不含d轨道即硬度较大的半导体材料决定。Al N/Ga N合金的相变路径由d轨道上没有电子占据、硬度更高的Al N决定,与Ga N无关。通过将特殊准随机结构方法、蒙特卡洛模拟和第一性原理计算相结合,将温度引起的结构无序性引入到合金的结构相变和物性调控中,且研究对象可以扩展到原子无限多的合金体系,同时引入了温度效应,有效拓展了第一性原理计算的研究范围,在合金的热力学性质研究中取得了广泛的成功。通过分析半导体合金由纤锌矿到类石墨结构相变的类型和驱动机理,指出单轴应变和双轴应变在合金结构调制中的不等价性,改变了对此问题的认识。