磁性半导体同时具有铁磁性和半导体的性质,并能很好地与半导体工艺兼容,是操控半导体中电子自旋自由度、从而使自旋电子学原理和功能直接在半导体中实现的一类理想材料。以石墨烯为代表的二维晶体材料由于其本身独特的优异性能和潜在的应用价值引起了广泛的关注,尝试用石墨烯作为碳基自旋电子学材料的研究,近几年来获得高度重视和发展。但是单层石墨烯的零带隙限制了其在纳米电子器件中的实际应用。目前制备出的单层MoS2、单层磷烯和单层TiS3都是有带隙的二维半导体。相比于石墨烯,有带隙的单层MoS2、单层磷烯以及单层TiS3可能更适合作为制备纳米自旋电子器件的材料。单层MoS2、单层磷烯以及单层TiS3是内禀非磁性的,为使它们有效地应用于纳米自旋电子器件,需要在其中引入可调控的磁性。因此探索在单层二维晶体材料中有效地产生磁性是凝聚态物理磁学研究领域的热点问题之一。有关研究发现,替代掺杂、缺陷、吸附及施加应力等方法可以使非磁性的半导体材料产生磁性。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了空位、反位缺陷和应力,非金属元素的替代掺杂以及过渡金属元素的替代掺杂分别对单层MoS2、单层磷烯和蓝磷烯以及单层TiS3的结构、电子结构和磁性的影响。本论文的主要工作如下：1.计算研究了实验观测的空位缺陷VS,VS2,VMoS3和VMoS6及反位缺陷S2Mo和MoS2对单层MoS2结构、电子结构和磁性的影响、应变对含有上述空位和反位缺陷的单层MoS2结构、电子结构和磁性的调控。结果表明,由于缺陷周围或缺陷处的原子分别形成了Mo-Mo金属键、S-S共价键、Mo-S共价键,或原有Mo-S共价键的增强,含有VS,VS2,VMoS3,S2Mo及MoS2的单层MoS2体系是非磁性的。不同的是,在单层MoS2中,VMoS6产生了6.0μB的磁矩,磁矩主要来源于VMoS6周围Mo原子的4d轨道；对含有VS,VS2,VMoS3,S2Mo及MoS2的单层MoS2施加拉伸应力,导致缺陷周围或缺陷处的原子所成的键逐渐减弱,当应变达到一定值时,这些键断开或继续减弱,导致缺陷周围或缺陷处的原子产生了未成键的电子,进而产生磁性。对含有VMoS6缺陷的单层MoS2,拉伸应力使VMoS6周围的Mo-Mo金属键减弱甚至断开,从而导致磁矩增大,而压缩应变可以使其磁矩减小,当应变为-12%时,磁矩减小为零。2.计算研究了非金属元素的替代掺杂对单层磷烯和蓝磷烯的结构、电子结构和磁性的影响。结果表明,电中性的H,F,Cl,Br,I,B,N,As,C,Si,O,S和Se掺杂的单层磷烯以及F,Cl,B,N,C,Si和O掺杂的蓝磷烯是稳定的。由于掺杂原子及其周围的P原子不存在未配对的价电子,H,F,Cl,Br,I,B,N,As或稳定的C-,Si-,S+,Se+掺杂的单层磷烯以及F,Cl,B和N掺杂的蓝磷烯体系都是非磁性的。不同的是,由于掺杂原子或者掺杂原子周围的P原子存在未配对的价电子,C,Si,O,S,Se掺杂的单层磷烯以及C,Si,O掺杂的蓝磷烯产生了1.0μB的磁矩,磁矩主要来源于掺杂原子或其周围P原子的p轨道。并且,由于p-p杂化相互作用,两个替代的Si,O,S,Se在单层磷烯及两个替代的C,Si,O在蓝磷烯中产生的磁矩间的耦合均为长程反铁磁耦合。而两个替代的C在单层磷烯中产生的磁矩间的磁耦合非常弱。3.计算研究了过渡金属Sc,V,Cr和Mn替代掺杂的单层TiS3的结构、电子结构和磁性。结果表明,Sc,V,Cr和Mn掺杂的单层TiS3都是稳定的,并且,在富S条件下更容易实现Sc,V,Cr和Mn对单层TiS3中Ti的替代掺杂。对于Sc掺杂的单层TiS3,由于费米能级处的能带具有较强的非局域性,因而Sc掺杂的单层TiS3是非磁性的。而对于V,Cr,Mn掺杂的单层TiS3,掺杂原子V,Cr,Mn比Ti原子分别多1,2和3个未配对的价电子,这些未配对的价电子分别产生1.0,2.0和3.0μB的磁矩。磁矩主要来源于掺杂V,Cr,Mn原子的3d轨道,其周围S原子的3p轨道和Ti原子的3d轨道也有部分贡献。更为重要的是,两个掺杂的V和Mn原子产生的磁矩间存在长程的铁磁耦合,而两个掺杂的Cr原子在单层TiS3中产生的磁矩间的耦合为长程的反铁磁耦合。因此,我们预测可通过在单层TiS3中掺杂V和Mn来实现在单层TiS3中引入室温铁磁性。