近年来,越来越多具有室温铁磁特性的半导体材料由于应用广泛而备受关注。实验上已经证实由于氧空位的存在,许多氧化物薄膜或者纳米颗粒会表现出室温铁磁特性。而第一性原理计算表明氧化物半导体磁性产生的原因是由于其阳离子空位的存在。实验上还发现GaN半导体纳米颗粒也具有室温铁磁性,第一性原理计算证实其立方结构和纤锌矿结构的磁性主要是由Ga空位引起的。硫化物中的CdS纳米颗粒同样被检测到具有室温铁磁性,但其磁性来源尚不明确。此外,还有人发现Co掺杂ZnO薄膜在Zn蒸汽下退火后引入Zn间隙原子能使样品的磁性产生变化。那么对于无掺杂半导体纳米材料中的间隙原子是否能影响磁性,目前还不得而知。针对上述问题,我们利用水热法合成了Bi2S3和ZnS纳米颗粒,测量其磁性,之后分别在Bi蒸汽和Zn蒸汽下进行热处理,使其产生间隙原子,观测磁性变化；利用第一性原理计算分别研究了含空位和间隙原子Bi2S3(001)和ZnS(001)表面的磁机理。有机磁性材料是近20年来发展起来的新型功能材料,其在众多领域存在很大的应用前景。由于过渡金属原子3d电子态的不完全占据,使得我们认为由三(8-羟基喹啉)和3d过渡金属组成的配位化合物很可能具有磁性。为此我们利用第一性原理计算研究了由三(8-羟基喹啉)和3d过渡金属组成的配位化合物(TMq3)的磁性,结果发现了一些不同于无机半导体材料的磁性现象。在半导体纳米管材料中,SiC纳米管由于其独特的物理特性和电子特性,成为高功率、高温电子设备和生物传感器等器件的理想材料。此外,SiC纳米管还具有较高的表面活性,吸附H和N原子后能够改变自身的电子特性。过去的大多数报道主要集中在对SiC纳米管电子特性的研究。相比C和BN纳米管,SiC纳米管的磁性研究目前相对缺乏。因此,我们利用第一性原理计算探讨了单壁SiC纳米管的空位磁性及B元素和过渡金属TM (TM=V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni和Cu)掺杂后体系磁性的变化。另外,二氧化锡半导体纳米管也逐渐引起了人们的关注由于其在透明超导电极、气体传感器和锂离子电池等领域的广泛应用。由于SnO2纳米管的模型构建相对复杂,迄今为止,还没有对Sn02纳米管磁学性质的相关报道。因此,我们利用第一性原理计算探索了含空位、N杂质及过渡金属TM (TM=V, Cr, Mn, Fe和Co)杂质SnO2纳米管的磁学机制。近年来,多铁材料由于具有独特的物理特性和潜在的应用价值受到了广泛的关注。多数的研究主要集中在Bi基钙钛矿化合物、Tb基锰化物、六方稀土锰化物和BaMF4(M代表二价过渡金属离子)。众所周知,磁性一般主要是由过渡金属中不完全占据的d电子引起的,然而这类d电子的出现会抑制晶胞中非对称中心的形成,从而使晶胞不产生铁电性,所以单相的多铁材料很少见,而且大多数的单相多铁材料还是室温反铁磁的,例如BiFeO3,或低温铁磁,例如,BiMnO3。为了得到室温单相多铁材料,我们通过在铁电材料中引入空位或杂质使其具有室温铁磁性。传统的立方相SrTiO3块体是一种先兆铁电体材料,由于其介电常数高且介电低损耗,同时又具有良好的热稳定性,已经广泛的应用于电子、陶瓷等工业领域。虽然SrTiO3是先兆铁电体,但是通过拉伸或压缩应变会导致SrTiO3中出现铁电态。这使得我们对SrTiO3磁性的研究产生了兴趣。因此,我们利用第一性原理计算研究了含空位SrTiO3的磁学性质。此外,我们还通过溶胶-凝胶法制备了钛酸锶纳米材料,并对其结构和磁性进行了研究。Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)是一种ABO3型钙钛矿铁电化合物,其A位上包括了两种不同的离子。由于这种材料在机电制动器和气敏传感器等领域的广泛应用,同时其又是一种无铅材料,因而备受关注。菱方相的NBT材料具有独特的铁电特性,且长程铁电有序。因此,我们利用第一性原理计算研究了在NBT中引入不同空位时体系所产生磁性的机理。除了空位能够引入局域磁矩,非铁磁元素掺杂同样也能使材料具有磁性。LiNbO3是一种非常实用的环保无铅铁电材料。因此在LiNbO3中,我们用Ca/Sr/Ba和F/Cl/Br元素分别替代Li原子及O原子,从而使其产生局域磁矩,并分析了磁矩形成的原因。通过上述研究我们发现含有空位的铁电材料具有磁性,那么这类多铁材料也应具有磁电耦合效应,也就是ME效应,即铁磁和铁电在同一材料中能互相调控。因此,我们利用实验验证了BaTiO3的磁性来源,并通过第一性原理计算研究了BaTiO3(001)表面在施加电场后磁性的变化。之后我们又对铁电BaTiO3纳米管的磁性进行了探索。钛酸钡是钙钛矿材料中的明星材料,其具有独特的电学、磁学、光学特性。长期以来人们对钛酸钡颗粒和薄膜的磁学性质开展了大量的研究。近几年,随着纳米管材料的研究逐渐受到关注,BaTiO3纳米管也渐渐涌入了我们的视线。因此,我们利用第一性原理计算研究了含不同空位的BaTiO3纳米管的磁性,探讨其磁性产生的原因。本论文的主要结论如下：1.我们利用水热法成功制备出单相ZnS和Bi2S3纳米颗粒,并在室温下观察到了铁磁性。通过对样品在金属蒸汽下的热处理发现纳米颗粒的饱和磁化强度有所增强,说明间隙原子能够影响样品的铁磁性。第一性原理计算的结果显示阳离子空位是硫化物纳米颗粒产生磁性的诱因。此外,间隙原子的引入同样会使体系产生局域磁矩。2.对于由三(8-羟基喹啉,Hq)和3d过渡金属元素组成的配位化合物(TMq3, TM=Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn),计算结果发现除Scq3和Coq3外,其余的配位化合物均具有磁性。这和我们之前认知的无机化合物有很大的区别。因为Co元素本身具有磁性,含Co杂质的无机化合物,例如ZnO等氧化物半导体,都是具有磁性的。Coq3无磁性主要是因为Co原子的3d电子在配位化合物中自旋向上和自旋向下的电子自旋相互抵消使其磁矩为零。对于Znq3配合物,Zn原子本身没有磁矩,其磁矩主要来自于Zn周围的3个Hq分子。而其他具有磁矩的TMq3,磁矩主要是来自于TM原子本身,但是周围的Hq分子对体系的总磁矩也会有贡献。3. Si空位能够在扶手椅型(3,3),(4,4),(5,5),(6,6),(7,7)和(8,8)及锯齿型(5,0),(6,0),(7,0),(8,0),(9,0)和(10,0)单壁SiC纳米管中引入磁性。而C空位只能在扶手椅型(3,3),(4,4)和(5,5)单壁SiC纳米管中引入磁性。说明单壁纳米管的空位磁性和纳米管的管径及手性有密切的关系。接着我们发现B替代C原子在SiC纳米管中能够引入磁性,而B替代Si原子却不能。此外,过渡金属掺杂SiC纳米管同样能使SiC纳米管具有磁性。4.等化学计量比的(5,0)Sn02单壁纳米管是无磁的,氧空位不能为体系引入任何磁矩。Sn空位可以在纳米管中引入较大的磁矩,其磁矩主要来自于Sn空位周围O原子p电子的自旋极化。用N原子替代O原子也可以为体系引入较大的磁矩,且铁磁耦合态稳定,但只能发生在特定的激发态。此外,过渡金属掺杂(5,0)SnO2单壁纳米管同样会使纳米管具有磁性,且磁矩分布随过渡金属原子序数的增大而遵循Hund规则,但该规律不适用于(6,0)TiO2单壁纳米管。5.等化学计量比的钛酸锶是无磁性的,相应的实验也证实其烧结块体同样是无磁的,这主要由于块体材料不含有高浓度缺陷。用GGA方法计算发现含有VTi0空位和V00空位的SrTiO3能产生磁性,而用LDA和LDA+U方法计算发现只有含VTi0空位时SrTiO3才具有磁性,且铁磁耦合态稳定。实验结果表明钛酸锶纳米颗粒具有室温铁磁性,真空退火后其磁性减弱,这说明钛酸锶纳米颗粒的室温铁磁性和颗粒表面的阳离子空位有关。6.对于菱方NBT,中性的Na空位和Ti空位能够为体系引入磁性,而Bi空位和O空位却不能。Na空位和Ti空位引入的磁矩主要是由其周围O原子p电子的极化而造成。对于含有Na空位和Ti空位的NBT,其铁磁耦合更加稳定。7.菱方LiNbO3(?)中的Li或O被Ca/Sr/Ba或F/Cl/Br替代后会表现出磁性,这是由于掺杂元素周围Nb原子s电子的自旋极化造成的。此外,双原子掺杂后体系的铁磁耦合更稳定。8. BaTiO3纳米材料具有室温铁磁性,经过真空退火发现其磁性由氧空位造成。第一性原理计算结果显示随着电场强度的增强,含有O空位BaTiO3(001)面的磁性会逐渐增大,同时材料逐渐向导体转变,禁带宽度和能带带隙减小直至消失。9.等化学计量比的BaTiO3纳米管是无磁性的。和块体BaTiO3的磁性来源有所不同,计算结果表明BaTiO3纳米管中的VBa0,VTi0和V00空位均能为体系引入磁矩,这主要是由VBa0和VTi0周围O原子p电子及V00空位周围Ti原子d电子的自旋极化造成。引入双空位后发现,体系的铁磁耦合态更稳定。