自从2000年Dietl等人预测Mn掺杂的GaN等半导体具有室温铁磁性(RTFM)以后,许多科研工作致力于研究过渡金属掺杂的半导体材料的磁性。实验上已经证实由于氧空位的存在,许多氧化物薄膜或纳米颗粒表现出室温铁磁性(RTFM)。与此相反,第一性原理计算表明,对于HfO2,TiO2,ZnO,SnO2,ZrO2等氧化物,磁性产生的原因是由于阳离子空位的存在。由于人们对非掺杂氧化物的铁磁性产生了越来越浓厚的兴趣,d0铁磁性已经成为本世纪非常重要的研究课题。与人们的传统观念不同,没有d或f电子的材料也可以表现出铁磁性。MgO是典型的do氧化物,理想的块体MgO是无磁性的。目前为止,关于VMg0空位对MgO磁性的影响,还没有系统的第一性原理研究报道。我们利用局域密度近似(LDA),广义梯度近似(GGA)以及库仑修正的局域密度近似(LDA+U)三种方法计算含有VMg0空位的MgO磁学性质。在氧化物,氮化物和硫化物中掺杂无磁性的s,p元素如C,N,Mg,Al等也可以在体系中引入铁磁性。这些杂质元素可以将无磁性的化合物转化为磁性体系,磁性出现的原因是C,N,O,S等原子2p电子的自旋极化。对于与MgO具有相同结构的SrO体系,迄今为止,还没有对同时含有中性阳离子空位及阴离子替代的SrO的磁性的从头计算研究。通常,纳米颗粒的表面存在着大量的缺陷或空位。因此,对含有中性Sr空位(VSr0)及C/N掺杂的SrO表面的磁性进行系统的理论研究是十分必要的。因此,本文将用LDA+U方法计算当含有VSr0空位或用C/N替代O,以及空位和替代同时存在时SrO(100)面的磁性。最近,ZnO由于其在光电子纳米器件方面的重要应用而被广泛研究。密度泛函计算已证明Zn空位可以在ZnO纳米薄膜和纳米线中引入磁矩,磁矩来源于Zn空位周围O原子上的未配对2p电子。Zn空位可以在ZnO纳米薄膜和纳米线中引入铁磁性。然而,迄今为止,还没有对纯的ZnO纳米管磁性的理论研究。在这里,用第一性原理计算ZnO(5,0)单壁纳米管(SWNT)的磁性。GaN是一种应用非常广泛的半导体材料。由于具有独特的物理特性,并且是光电子学器件的基础性材料,GaN在过去的几十年中被广泛研究。GaN有两种不同的晶体结构：纤维锌矿结构(空间群P63mc)和立方结构(空间群F4-3m)。实验上观测到的RTFM是由于纳米颗粒的表面存在缺陷,而纳米颗粒的内部仍然是抗磁性的,Ga空位可以在纤维锌矿结构的GaN半导体纳米颗粒中产生铁磁性。立方相的GaN一般处于亚稳态,在激光泵浦方面有着重要的应用价值。本文将用第一性原理计算当存在中性的Ga空位(VGa0)和中性的N空位(VN0)时,立方相GaN的(100)和(101)面的磁性。近来,以(001)取向的MgO作为势垒(tunnel barrier)的磁性隧道结(MTJ)由于其在硬盘驱动(HDD)读取磁头及磁性随机存储器(MRAM方面的重要应用而引起了物理学家的广泛关注。据已有的理论研究报道,Fe/MgO/Fe磁性隧道结的磁阻变化率可以高达1000%,实验上却只达到300%。人们普遍认为,层间交换耦合(IEC)是磁性隧道结两端铁极间磁耦合性质的重要度量。MgO势垒的不完美性是影响Fe/MgO/Fe(001) MTJ性质的重要因素。但目前还没有对该体系界面处的中性Mg空位对体系界面磁性及层间交换耦合(IEC)的影响的细致研究报道。因此,本文用LDA+U方法计算了Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道结界面处的VMg0空位对界面磁性和IEC的影响。电离辐射能造成DNA的直接或间接损伤。对于直接损伤,能量直接被DNA吸收生成自由基及其衰落产物。间接损伤来自于辐射在DNA所处的环境中形成的自由基对DNA的攻击。这些自由基主要来自于水,其中·OH是最主要的种类。·OH可以和DNA碱基发生加合或脱氢反应,生成羟基化自由基和脱氢自由基。已有许多工作致力于研究脱氢及加合反应对DNA碱基的初级损伤。然而,目前大多数已有文献报道都致力于探究DNA碱基的损伤机制及·OH自由基攻击DNA碱基的加合及脱氢反应可能生成的产物。由于强电离辐射导致-OH自由基攻击DNA碱基造成的损伤,如果不及时修复,就有可能导致疾病的发生。因此,研究·OH自由基攻击DNA碱基生成的产物的自旋极化或磁学性质对于理解辐射对DNA的损伤是非常重要的。本文将用从头计算研究加合反应及脱氢反应生成的DNA自由基的磁性。1.对于含有不同浓度的中性Mg空位(VMg0)和,空位(VO0)的MgO的d0磁性,第—性原理计算表明,纯的块体MgO是无磁性的,VO0空位不能在体系中引入磁矩,而VMg0空位可以在体系中引入FM。所产生的FM不但和VMg0空位的浓度有关,还和其在体系中的分布有关(对于特定浓度的VMg0空位而言)。随着VMg0空位浓度的增大,体系的磁性也会变强。磁性产生的原因是VMg0空位周围O的2p电子的自旋极化。LDA+U的计算结果表明,当VMg0空位浓度为6.25%时,体系呈现出半金属性质,该发现对当前的自旋电子学领域有很重要的贡献。本文的计算可以用来模拟MgO纳米颗粒近表面区域的磁性。2.对于含中性点缺陷及C/N掺杂时SrO(100)面的磁性,LDA+U计算表明,理想的SrO(100)面是无磁性的。VO0空位不会引入任何磁矩。VSr0空位可以在体系中引入大磁矩,磁矩主要位于最外原子层空位周围的O原子上。浓度为6.25%的VSr0空位可以在体系中引入铁磁态。用C或N替代O可以在体系中引入大磁矩,磁矩来源于C/N的2p洞。由于C/N原子的2p电子对O的2p洞具有补偿作用,VSr0空位及C/N掺杂共存则有可能削弱体系的磁性。3.对于当存在中性Zn空位(VZn0)及C掺杂(替代O)时(5,0)ZnO SWNT的磁性,GGA计算表明,纯的(5,0) ZnO SWNT是无磁性的,VO0空位也不能在体系中引入任何磁性。VZn0空位可以在管中引入大磁矩,磁矩主要位于相邻的原子环上的,原子。浓度为6.67%的VZn0空位可以在体系中引入铁磁性。用C原子替代,原子也可以在体系中引入大磁矩。用一对C原子替代两个O原子可以在体系中引入铁磁性,但只能发生在特定的激发态。4.对于含中性空位的GaN(100)和(101)面的磁性,GGA计算表明,理想的Ga终端的GaN(100)和(101)面是无磁性的。N终端的GaN(100)是不存在的,因为该结构优化后变为Ga终端的GaN(100)面,并呈现出铁磁性。VGa0空位可以在Ga终端的GaN(100)面引入较大磁矩,这些磁矩呈铁磁性耦合。磁矩产生的原因是由于空位3的存在导致了N原子2p电子的自旋极化。在GaN(101)面,VN0空位不会带来任何磁矩,而VGa0空位又可能使体系呈反铁磁态。我们认为,立方相GaN的室温铁磁性(RTFM)来源于纳米颗粒表面Ga空位的存在或表面重构形成的新表面态。5.对于Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道结界面处的VMg0空位对界面磁性和层间交换耦合(IEC)的影响,LDA+U计算表明,由于Fe的3d电子对VMg0空位引入的2p洞的电荷补偿效应,VMg0空位并不能像在MgO纳米磁料中那样在Fe/MgO/Fe(001)MTJ的界面处其周围的,原子上引入局域性磁矩。和完美的Fe/MgO/Fe(001)MTJ不同,当界面处存在VMg0空位时,体系的IEC随着MgO势垒厚度的增加呈现震荡性质。VMg0空位的浓度变化也会导致IEC呈现震荡性变化,并因此会进一步影响MTJ的隧穿磁电阻变化率。6.对于-OH攻击DNA碱基生成的自由基的磁性,GGA计算表明,加合及脱氢反应可导致碱基自由基内化学键的重构(除脱H5的胞嘧啶自由基外)。当攻击腺嘌呤和鸟嘌呤中的C4-C5双键发生加合反应时,·OH优先加合到腺嘌呤中的C5位置,或鸟嘌呤中的C4位置,并造成腺嘌呤在C5位置及鸟嘌呤在C4位置发生严重扭曲。自旋极化发生在所有计算的自由基中,使得自由基具有1βB的总净磁矩。所引入的磁矩主要来源于C,N原子2p电子的自旋极化。未损伤的碱基是无磁性的,而受·OH自由基攻击后的DNA碱基具有磁性。