本文利用第一性原理计算并结合Monte Carlo模拟研究ZnO基稀磁半导体的磁特性。由第一性原理计算出交换耦合常数,用Monte Carlo方法模拟出居里温度,然后通过分析ZnO基稀磁半导体中各个原子的电子转移,从微观角度找到稀磁半导体磁性来源以及磁耦合机制。论文的内容具体安排如下:1.首先介绍了半导体自旋电子学,稀磁半导体的概念和研究情况,详细介绍了本论文涉及到的两种理论基础——第一性原理计算方法和Monte Carlo模拟方法。包括(1)第一性原理计算的理论基础,实现过程,应用软件;(2)Monte Carlo模拟的理论基础,实现过程。2.其次,利用第一性原理计算得到非磁性金属Cu掺杂ZnO的电子结构,发现其具有稳定的铁磁基态,其磁性来源于Cu-3d电子和O-2p电子之间强烈的杂化作用。利用第一性原理得到的磁性耦合强度结合Monte Carlo计算,得到三种不同掺杂浓度的居里温度,并发现多数的居里温度已超过室温。通过计算电子转移,发现存在巡游电子,电子之间是远程转移。同时存在局域磁矩,巡游电子与局域磁矩磁性耦合导致了铁磁性,故磁性耦合是一种RKKY耦合。3.然后,利用非金属元素C代替ZnO中的O元素,计算结果同样表明,该稀磁半导体同样具有稳定的铁磁基态,并且具有较高的居里温度。通过研究各个原子之间的电子转移数,以及平面磁矩分布,发现存在局域磁矩。计算s,p,d三个轨道上自旋向上和自旋向下电子数的差值,发现稀磁半导体的磁性耦合倾向于RKKY耦合。4.最后,通过第一性原理计算Al和S掺杂ZnO,结果表明它们都是非磁性的,研究其电子转移后发现也存在远程转移,但是不存在局域磁矩。结合以上研究,发现稀磁半导体磁性来源于金属原子和非金属原子之间杂化作用,以及RKKY耦合作用。