硫化镉(CdS)是典型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体材料,室温下带隙宽度为2.42eV,是灵敏度较高的N型光电导器件材料,也是压电器件材料,具有许多优异的光学和电学性质,在发光二极管、传感器、太阳能电池、光探测器、光波导器件和非线性光学器件等领域有着广泛的应用。对于半导体材料而言掺杂是非常重要的,通过掺杂可以调控材料的物理性质。人们对CdS半导体的杂化做了大量的研究工作,尤其是如何设计铁磁性的半金属材料,使之在自旋电子学器件中有良好的应用前景,但对稀磁材料中的磁性起源有很多的争论。降低材料的尺寸或者维度也可以调控材料的物理性能,如量子尺寸效应能使CdS的表面构型和电子结构发生改变,对其磁学、电学和光学性质等产生重要影响。在2010年,对石墨烯的开创性研究获得诺贝尔物理学奖,受到石墨烯和类石墨烯氮化硼的启发,人们开始关注其他类石墨烯结构的二元化合物,他们具有丰富的电学特性。而一维纳米结构由于具有有利于载流子定向传输的有序结构,,并且能够提高材料中空穴和电子的传输效率和分离效率,也受到人们的广泛关注。近几年实验中对CdS的研究也取得了令人瞩目的成绩,已经合成了类石墨烯结构的六角蜂窝状的CdS纳米面和一维CdS纳米线/纳米带和量子点。同时,以密度泛函理论为基础的第一性原理计算在量子化学、凝聚态物理和材料科学中也得到非常广泛和成功的应用,也是研究纳米材料的有力工具。本论文采用第一性原理计算方法,首先研究非磁性元素掺杂对CdS纳米材料的自旋极化和光电性质的影响,其次通过改变CdS低维纳米材料的表面结构和氢化CdS表面原子的方式,达到对CdS纳米材料的电子能带结构进行调制的目的,使之成为在自旋电子学器件上有良好应用价值的纳米材料。主要的研究内容及研究结果如下：(1)综述CdS纳米材料的研究意义和国内外研究现状,提出本课题的选题意义和研究内容。(2)介绍本论文所使用的理论研究方法和应用程序软件,包括密度泛函理论的主要内容、针对不同具体问题所提出的多个密度泛函理论的发展方向及常见的密度泛函计算软件,和本论文研究过程中主要使用的WIEN2K软件特点。(3)虽然磁性元素掺杂半导体材料可获得铁磁性材料,但无法证明其磁性是内禀性的,所以本论文选择非磁性金属Cu掺杂CdS获得铁磁性材料。首先,通过形成能的计算结果讨论实验中选择非磁性金属Cu掺杂CdS的可行性,其次讨论广义梯度近似对Cu掺杂CdS费米能级附近电子结构的影响,研究Cu掺杂CdS超晶胞的电子结构、自旋极化特性,讨论体系的铁磁性起源,最后分析不同浓度的Cu掺杂对CdS光电性质的影响。计算结果表明：富硫情况下Cu替换Cd,体系结构更稳定；适中的形成能说明了实验中实现Cu高浓度掺杂CdS材料的可行性；由于Cu-3d和S-3p轨道杂化,系统呈现半金属性,具有100%自旋极化,产生了LOhb/Cd35CuS36的磁矩；通过Cu(3d)-S(3p)-Cd-S(3p)-Cu(3d)作用链使Cu掺杂CdS材料是室温下的长程铁磁性材料；也正是由于Cu的d轨道和S的p轨道在费米能级附近的杂化,提高了Cu的d轨道和S的p轨道间的电荷转移,增加了系统的导电性;随着Cu掺杂浓度的增加,Cu掺杂CdS材料从半金属逐渐过渡到金属,介电函数虚部的第一个峰发生了红移,静态介电常数改变明显；在紫外区,吸收系数非常大；Cu掺杂CdS后,在低能区出现了很多小的吸收峰,Cu掺杂CdS有利于可见光的吸收。(4)从纤锌矿结构沿着(0001)方向裁剪下来的单层CdS纳米面(CdSnanosheets,简称CdSNS),经过结构弛豫后成为类石墨烯结构的CdSNS。在第四章中我们主要讨论CdSNS的电学特性、氢化对CdSNS电子结构和磁学性质的影响,以及C掺杂CdSNS(?)寸其自旋极化、光电性质的影响。研究结果表明：CdSNS是直接带隙的半导体,带隙比体相材料的CdS带隙宽；在氢化CdSNS的所有结构中,H更容易吸附在Cd上,Cd-hydro CdSNS是室温下的铁磁性材料,呈现半金属特性,具有100%自旋极化；磁矩主要局域在没有吸附H的S未成对的2p电子上；C掺杂CdSNS也是有磁性的半金属材料,C-C是反铁磁耦合,当有电子注入时,C-C变为铁磁耦合,载流子调节的双交换理论可以解释C-C间的铁磁性耦合机制；C掺杂CdSNS,体系的导电性增加,低能区的介电峰向着低能方向移动,即发生了红移；吸收谱的光学吸收边向着低能方向移动,C掺杂CdSNS增加了可见光的吸收强度。(5)研究CdS纳米线(CdS nanowires,简称CdSNWs)的优化处理,讨论氢化CdS纳米线后的电子结构、磁学性质的变化情况。研究发现结构弛豫会大大影响CdS NWs的几何形状和电子结构；氢化不同的表面原子,可实现对CdS NWs的磁性调控,氢化S原子时,CdS NWs没有磁性,而氢化Cd时,尤其是表面的Cd有一半氢化时,CdS NWs是100%自旋极化的半金属,是良好的白旋电子学材料；氢化时,部分占据的S-3p态和H-1s态发生杂化,导致费米能级附近的能带发生了劈裂,是产生自旋极化的主要原因。(6)第六章对本论文的研究内容进行了总结,并提出了下一步的研究工作。该理论研究成果为实验中合成CdS基室温下具有长程铁磁性的半金属材料提供了新的途径,为材料的磁性起源提供了理论依据,推动了CdS纳米材料在自旋电子学和光电子器件上的应用。