随着信息技术的发展,低维材料的相关研究成为最活跃的科学前沿。同宏观体材料相比,低维材料表现出许多新颖的力学、光学和磁学等物理性质,在未来的纳电子、信息、能源和功耗材料等领域有广阔的应用前景。本文围绕几种低维半导体材料及其纳米结构展开研究,基于第一性原理和全自洽GW近似的方法研究了它们的电子结构和磁学特性,从最基本的物性角度来预测和展示这些低维半导体材料的特性和应用潜力,主要内容和创新点如下:1、计算了纤锌矿和闪锌矿构型的砷化镓纳米线结构和电子特性。考虑到纳米线表面悬挂键的影响,采用修正的形成能公式来探究不同构型的相对稳定性。当砷化镓纳米线的直径接近90A时,纳米线表现为双稳性。小于这个数值时,纤锌矿构型更加稳定,反之亦然。砷化镓纳米线表现为半导体特性,其带隙随直径的增加而逐渐减小。研究了 GaAs1-xBix合金材料晶体结构、带隙和弹性系数,与铋元素组分分布的关系。对于结构特性,三种不同构型合金材料的晶格常数与铋的组分呈线性分布,即遵守Vegard定律。合金的带隙随铋组分的增加而迅速减少,并表现为弯曲效应。计算发现,弹性系数与应变的变化是直接相关的。研究了单层和双层砷烯在均匀应变调控下的结构和电子特性。结构上,当施加的张应变足够大时,单层砷烯会转变为类石墨烯的水平蜂窝状构型。单层和双层砷烯都是间接带隙半导体,其带隙变化对张应变和压应变的响应是不同的。对于单层砷烯,当压应变达到-10%时,其能带结构会从间接带隙转变为直接带隙。2、分别研究了锰和铁共同掺杂氧化锌纳米线和体材料的电子结构和磁学特性。计算了几种不同的掺杂构型铁磁态和反铁磁态的能量,发现掺杂后氧化锌的基态表现为室温铁磁性,这种铁磁性耦合是由双交换机制调控的。还研究了缺陷对掺杂构型铁磁性的影响,计算发现缺陷并不是在锰和铁共同掺杂的氧化锌中引入铁磁性的有效途径。研究了金属钒掺杂氮化铝纳米片在均匀应变调控下的电子结构和磁学特性。自旋极化的计算表明掺杂后的体系拥有稳定的室温铁磁性,并可以用双交换机制来解释。施加张应变时,掺杂结构维持稳定的室温铁磁性;然而施加压应变时,磁性耦合强度会随压应变的增加逐渐降低,当压应变足够大时,铁磁性会完全消失。3、从多体微扰理论延伸出的GW近似方法被广泛用来计算材料的准粒子能量和激发谱。基于平面波基底,通过求解Dyson方程,提出了一套全自洽的GW近似方法,使用的赝势是考虑半芯态的模守恒赝势。在计算中,采用了完备的格林函数,而没有使用截断和对角化近似。为了解决体材料计算过程中奇点和不收敛的问题,我们详细介绍了这套全自洽GW近似的算法细节、数值方法以及技术手段。