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自旋电子学是20世纪末发展起来的一门新兴交叉学科，它同时利用电子的电荷属性与自旋属性，有望实现集磁-光-半导体等性质于一体的多功能材料与器件。与使用正负电荷的现有的微电子器件相比，自旋电子器件具有处理速度快、稳定性好、集成度高、耗电量低、非挥发性、尺寸小等优点，在信息通讯、国防军事、航空航天等领域具有广阔的应用前景。
ZnO具有带隙宽、激子结合能高、温度稳定性好、易于与多种半导体实现集成等优异特性，因此对ZnO基自旋电子材料的制备、铁磁性起源机理以及自旋相关输运性质的深入研究具有重要的理论意义和应用前景，已成为目前自旋电子学、材料科学和凝聚态物理学最为活跃的研究方向之一。
本论文采用实验与第一性原理计算相结合的方法，研究了Cr掺杂ZnO薄膜、Zn/ZnO纳米核一壳结构样品、ZnO/A1N异质结构的自旋相关输运性质，并对ZnO基稀磁半导体材料的铁磁性机理进行了深入的探讨，主要结果如下：
一、采用磁控溅射方法制备了CrxZn1-xO（O≤x≤0.091）多晶薄膜，结构测试表明样品具有ZnO六角纤锌矿结构，在仪器的测量精度范围内没有发现其它具有铁磁性的杂质相存在；磁性测量结果表明，样品具有室温铁磁性，随着Cr掺杂浓度的增加，样品的饱和磁化强度降低；当Cr掺杂浓度为x=O.012时，饱和磁化强度达到最大值0.58μB/Cr，且居里温度（TC)高于400 K，进一步排除了唯一具有铁磁性的第二相CrO2(TC=386K)的存在，从而证明了铁磁性是样品的内禀属性。第一性原理计算结果表明，掺杂ZnO体系只有在Cr原子处于近邻排列时显示铁磁性，其费米能级附近的载流子具有100％自旋极化率，态密度分析结果表明，铁磁性是由自旋极化载流子调控的O2p-Cr3d杂化产生的。对Cr掺杂ZnO体系的光学性质的计算表明，由于Cr3d态和Zn4s态中电子的带内跃迁，使得Cr掺杂ZnO体系在可见光区有很强的吸收峰，从而提高了ZnO的可见光吸收和催化效率。
二、采用磁控溅射的方法制备了一系列Zn/ZnO纳米核-壳结构样品，其居里温度高于400℃。当颗粒度小于76 nm时，饱和磁化强度和颗粒度之间存在的标度关系，表明样品中的点缺陷是存在于Zn与ZnO的界面区域。随着颗粒度的减小，样品的饱和磁化强度增大，当样品颗粒度为37nm时，ZnO壳层的最大饱和磁化强度高达28 emu/cc。光致发光谱测量结果表明Zni（或与VO的复合缺陷）及界面处的电荷转移效应对样品的铁磁性有至关重要的影响，给出了ZnO稀磁半导体材料符合巡游电子铁磁性机制的实验证据。
三、采用第一性原理计算的方法构造了ZnO/A1N异质结构，结合能计算结果表明，当O原子和N原子对接时，并且O原子恰好在N原子的正上方时的结构是最稳定的。能带结构分析表明，异质结构是半金属性的铁磁性材料，其自旋极化率为100%，体系的总磁矩为2.19μB，并且磁矩主要由界面处的N原子和O原子贡献的。分波态密度分析结果表明，界面处N原子和O原子的2p态发生强烈的杂化，且引入了大量的空穴载流子，异质结构的铁磁性应该是由空穴载流子调控的p-p耦合相互作用引起的。