近几年来，在材料科学方面有两个热点领域受到人们的极大关注。一是稀磁半导体(DMSs)，作为一种新的功能材料，开辟了在半导体器件中引入自旋自由度的途径，因此显示出巨大的应用潜力。该领域研究主要的任务之一是寻求居里温度高于室温的DMS材料。人们对Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族(DMSs)进行了广泛的研究，并发现了一些新的DMS材料如：Mn掺杂CdGeP2、闪锌矿结构的CrAs等。特别是在最近的几年里，过渡金属掺杂氧化物尤其是TiO2和ZnO作为室温铁磁性的DMSs引起人们的关注。另一个是居间半导体带太阳能电池，作为一种超越单带隙半导体太阳能电池效率的新途径而提出。居间带材料是指在半导体的价带和导带之间的禁带中存在着一个中间带的半导体材料。居间带只在某些化合物中形成，比如：Ga4P3M和Ga4As3M、Ga32P31M和Ga31P32M，其中M为过渡金属。该领域的主要任务之一是设计居间带材料。 β-Ga2O3作为一种宽禁带半导体化合物，具有优异的物理和化学稳定性，在光电子器件、太阳能电池等方面具有重要的应用。但到目前为止，它是否可以用于自旋电子学器件和居间带太阳能电池的材料，尚未被研究过。因此，探讨过渡金属元素掺杂β-Ga2O3的电子结构、自旋极化性质和光学性质是一个新的课题。 本论文运用第一性原理密度泛函理论和局域密度近似(LDA)对β-Ga2O3及过渡金属Ti、V、Cr、Fe、Mn、Ni和Co掺杂的β-Ga2O3进行理论研究，计算掺杂的能带结构、自旋总态密度和自旋分态密度及光学性质，分析每种元素掺杂的能带结构和自旋性质，探讨Ti、V、Cr、Fe、Mn、Ni和Co掺杂的β-Ga2O3作为稀磁半导体和居间带半导体材料的可行性。 主要结果和结论如下： (1)基于第一性原理总能量平面波赝势方法，采用广义梯度近(GGA)和局域密度近似(LDA)等不同的交换关联势，计算了单斜晶系结构β-Ga2O3的总能量及体系平衡时的晶格常数，讨论了不同交换关联势对晶格常数的影响，分析了体系平衡时的能带结构、能隙、态密度和分态态密度。与六方晶系结构α-Ga2O3的结果进行对比，能量的计算结果表明单斜晶系结构β-Ga2O3较六方晶系结构α-Ga2O3更稳定。 (2)基于密度泛函理论的平面波赝势方法和局域密度近似(LDA)，对过渡金属Ti、V、Cr、Fe、Mn、Ni和Co掺杂β-Ga2O3的晶格常数、最低能量、能带结构、自旋态密度进行了计算。在费米面附近，Fe、Cr、Mn、Ni和Ti掺杂β-Ga2O3仅存在一种自旋极化态密度；然而，由于Mn和Ni掺杂β-Ga2O3后反键态没有被完全占满使得它们显示铁磁性质；由于Fe、Cr和Ti掺杂β-Ga2O3后反键态或空或被占满使得它们的基态为自旋玻璃态。V和Co掺杂β-Ga2O3后自旋向上部分和自旋向下部分相互交叠，因而对总的和分态态密度图中峰值的贡献是相同的，因此，V和Co掺杂β-Ga2O3后不显示铁磁性。从居间带材料用于太阳能电池和其它光电子器件的观点来看，只有Cr、Fe、Mn和Ni掺杂β-Ga2O3有孤立的半满或全满的居间带，且有一定的带宽；而Ti、V和Co掺杂没有孤立的居间带，这是由于自旋相互作用较弱，杂质能级与导带底部分杂化引起的。接下来我们对过渡金属掺杂β-Ga2O3的介电函数实部和虚部进行了讨论。过渡金属掺杂β-Ga2O3后带隙明显减小，带隙从β-Ga2O3的4.8 eV减小到Cr、Fe、Mn、，Ni、Ti、V、Co掺杂β-Ga2O3的2.72、3.30、2.85、2.51、2.37、2.40、0.27eV。β-Ga2O3和过渡金属掺杂的β-Ga2O3丰富的能带结构，为从紫外区域向红外区域光电子器件应用提供了可能性。能带结构和态密度的这些新的性质说明，过渡金属掺杂β-Ga2O3有可能在一些光电子器件如太阳能电池、自旋电子学器件中得到新的应用。