氧化锌(ZnO)是一种具有3.37eV的禁带宽度、高达60meV的激子束缚能、高的化学稳定性以及优良的压电、热电和光电特性的新型宽禁带Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。尤为重要的是,ZnO基稀磁性半导体材料由于可能具有高于室温的居里温度,大的磁性离子固溶度以及对可见光透明等特点,因此有希望成为集优异的磁、光、电等特性为一体的新型多功能半导体材料,在未来的自旋电子学器件中具有广阔的应用前景。然而由于目前获得的ZnO基稀磁半导体材料存在着实验的重复性差、铁磁性不稳定以及铁磁性来源没有统一的理论解释等问题,因此,开展ZnO基稀磁半导体的实验和理论研究具有重要的现实意义。本文首先采用水热法,以醋酸锌和氢氧化钠为原料,制备了棒状ZnO,并分析了棒状ZnO的形成机理。同时研究了表面活性剂PAM对棒状ZnO结构和性能的影响。结果表明,PAM对ZnO的形貌没有明显的影响,但可以改变样品的化学计量比,起到调节主导缺陷类型和数目的作用。棒状ZnO晶体的紫色和蓝色发射随着PAM浓度的增加先增加后减小,而绿色发射随着随着PAM浓度的增加而增加。在PAM浓度分别为0、0.00005%、0.0003%时的棒状ZnO样品均呈现出顺磁性的特点。而在PAM浓度为0.0001%时的棒状ZnO样品呈现出室温铁磁性,其中的Zn空位缺陷占主导地位,被认为是产生铁磁性的主要原因,磁矩的主要贡献来自于紧邻Zn空位的O原子的2p未成对电子。其次,分别以乙酸铬、乙酸钴和乙酸镍为掺杂剂,对棒状ZnO进行了掺杂,并对其磁光性能进行了研究。掺杂剂的引入对样品的生长特性产生一定影响,虽然ZnO晶体仍然沿着[001]方向择优生长,但是样品变得粗大,而且均匀性变差,同时棒状ZnO晶体的本征缺陷增加,结晶质量下降。Cr掺杂棒状ZnO晶体的所有可见光发射及Co掺杂棒状ZnO晶体的紫色和蓝色发射随着掺杂浓度的增加先增加后减小；Ni掺杂棒状ZnO晶体的可见光发射随着掺杂浓度的增加而增加；Co掺杂棒状ZnO晶体的绿光发射随着掺杂浓度的增加而减小。掺杂浓度为0.5%Cr、Co、Ni掺杂棒状ZnO样品,由于掺杂浓度过小,均呈现出顺磁性的特征。1%Cr、Co、Ni掺杂棒状ZnO样品均呈现出室温铁磁性。3%Cr掺杂棒状ZnO样品,由于掺杂浓度增加,近距离Cr离子间的反铁磁作用使得样品呈现顺磁性。3%Co掺杂棒状ZnO样品由于反铁磁性第二相C0304的产生,使得样品的铁磁性相比于1%Co棒状ZnO样品有所减弱。3%Ni掺杂棒状ZnO样品由于反铁磁第二相Ni(OH)2的产生,使得样品呈现反铁磁性的特征。最后采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,系统研究了ZnO体材料和纳米线以及Cr、Co、Ni分别掺杂的ZnO体材料和纳米线的电子结构和磁学属性,并对ZnO体相材料和纳米线材料以及Co掺杂ZnO体相材料和纳米线材料的光学性质进行了研究。结果表明,ZnO体相材料和纳米线材料均不具有磁性,由于量子限制效应,使得ZnO纳米线材料的禁带宽度相比体相材料有所展宽。Co掺杂ZnO体相材料和Co替代ZnO纳米线体内Zn原子的纳米线材料均呈现出了铁磁性,而且纳米线的磁性相比于体材料有一定程度的放大,其磁性来源于Co3d和02p的交换作用使得能级发生劈裂,产生自旋极化。而Co替代ZnO纳米线表面的Zn原子的体系均不具有磁性。另外,Cr、Ni掺杂ZnO体相材料及纳米线材料也均不呈现磁性。从而说明缺陷对样品呈现的宏观铁磁性起着至关重要的作用。