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稀磁半导体是自旋电子学中一类典型的材料，使半导体实现磁性的通常做法是让掺杂离子在半导体带隙中引入杂质能级从而产生自旋极化。自从Dietl等人研究发现过渡金属掺杂ZnO可能实现室温铁磁性之后，大量的研究把目光放到了基于ZnO的稀磁半导体研究上来。通过脉冲激光沉积，溶胶凝胶等实验方法研究发现，过渡金属掺杂ZnO有可能实现室温铁磁性。然而，也有一些研究利用同样的实验手段并没有观察到室温铁磁性或者观察到磁性的来源并不是掺杂位，而是一些磁性离子沉积和磁性离子的二次相。因此，要实现ZnO的稀磁半导体特性需要克服几个瓶颈：（1）磁性的来源应该是掺杂ZnO体系本身；（2）充分改善注入电子自旋的效率，即提高掺杂的浓度；（3）解决铁磁性的局里温度过低问题。此外，随着纳米技术的发展，稀磁半导体对半导体尺寸和性能有了更高的要求。ZnO单层纳米层由于具有比ZnO块体更大的带隙和类石墨烯二维结构，在未来的低维稀磁半导体应用方面有很大的潜力。因此，本文从基于第一性原理理论计算研究稀磁半导体方法入手，对ZnO纳米层体系的磁性进行了探究。首先考虑具有本征缺陷的ZnO纳米层，然后对ZnO纳米层进行非磁性元素（Cu、C、N）掺杂，并计算了它们的电子和磁学性质。得出的主要结果如下：(1)无论是带价态的O空位还是中性的O空位都不能引起体系的磁性，原因可能是由于O空位本身非局域的特征。中性的Zn空位能引入自旋极化，自旋极化的主要来源为Zn空位周围最近邻的未配对O2p电子，Zn空位之间以铁磁性耦合为能量基态。同时对带价态的Zn空位（V1Zn,V2Zn）也进行了研究，发现它们有削弱体系磁性的影响。(2)由于Cu3d和O2p的杂化，Cu掺杂ZnO纳米层具有自旋极化的特征，但是增加Cu的浓度之后，Cu离子之间倾向于聚合并以反铁磁耦合为基态，但随着Cu离子之间距离的增加，它们之间的磁性耦合会由反铁磁转变为铁磁性耦合。因此，通过控制Cu的浓度有望实现ZnO纳米层的铁磁性。(3) C和N是典型的非磁性d0元素,在掺杂ZnO块体实现室温铁磁性的理论研究有相应的报道。在C、N掺杂ZnO纳米层中，同样能引入自旋极化，且C2p或N2p和次近邻的O2p发生非局域的p-p耦合。C离子之间容易聚合并以铁磁性耦合为基态，而N离子之间则不容易聚合，它们之间的磁性耦合表现为自旋玻璃态。