氧化锌（ZnO）是一种宽带隙半导体材料,具有独特的物理和化学性质,在发光二极管、气体传感器和太阳能电池等领域有着广阔的应用前景。目前为止,ZnO光电材料的基础研究和应用研究都慢慢走向成熟,而本征ZnO晶体结构对称性高,载流子少,性能相对单一稳定,大大限制了其应用范围。近年来,掺杂ZnO由于带隙可调制性和掺杂获得的新颖效应备受研究者青睐,因此通过原子掺杂来探索和开发ZnO材料的各种性能有着重要的科学意义,同时也为ZnO材料在微纳电子器件中开展实际应用提供巨大潜力。由于ZnO晶体中的化学键没有离子晶体结构中的化学键那么强,导致了它的晶体结构容易被掺杂原子所改变,相应的光学和气体吸附等特性也随之被改善和拓展。基于在光电子器件以及气体传感等方面的应用需求,在ZnO晶胞微结构中引入理想的掺杂原子,可实现对其宏观性能的改性、优化和调控。本文主要基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了掺杂ZnO的电子结构和光学性质,分析了金属（Ag、Al）单掺和共掺对ZnO带隙和光学性质的影响;通过在ZnO单层结构中引入缺陷,研究了氧空位缺陷的ZnO单层结构对NO₂气体吸附性能和NO₂的电子态对吸附体系的态密度和磁特性的影响;通过贵金属（Ag,Au）原子掺杂ZnO单层结构,研究了不同掺杂后的ZnO单层对CO、NO和NH₃气体分子的吸附能力,讨论了对不同气体有效吸附和选择性吸附问题。具体研究工作如下:（1）通过实验结果与密度泛函理论计算相结合,研究了Al、Ag单掺和共掺对ZnO带隙和光学性质的影响,研究结果表明Al、Ag掺杂后,ZnO的晶体质量得到了提高,与单掺杂相比,Ag/Al共掺杂ZnO具有更小的带隙;同时,Al-3p和Ag-5s态在Ag/Al共掺杂ZnO体系中具有较强的相互作用,使得ZnO的导带变宽,态密度进一步向低能方向移动;对于Ag掺杂ZnO体系,介电函数在0.21 eV附近出现了一个非常窄的峰,这与Ag-4d态和部分填充价带之间的电子跃迁有关;纯ZnO在421 nm处的荧光光谱呈现出较宽的蓝色发射带,而Al和Ag掺杂后其荧光强度增加,半峰宽减小。当Al/Ag共掺ZnO时,体系的发射带从红移转变为向绿带方向移动。（2）采用密度泛函理论研究了纯ZnO以及氧空位（V_O-）ZnO单层结构对NO₂气体分子的吸附性能。研究发现ZnO和V_O-ZnO单层结构都是非磁性的半导体,而NO₂的引入使体系由非磁性转变为磁性;最稳定的吸附构型是NO₂分子更倾向于吸附在桥位上,且NO₂分子垂直吸附于基底,其中NO₂分子的两个O原子更靠近V_O-ZnO或ZnO的表面;而NO₂吸附在V_O-ZnO单层上具有较大的吸附能和电荷转移量,表明O空位缺陷的存在为NO₂提供了较强的吸附结合区域;在费米能级附近,NO₂的电子态对吸附体系的态密度有显著的贡献,这意味着吸附NO₂分子可以有效地调节ZnO单层体系的电子性质。（3）采用密度泛函理论研究了纯ZnO和贵金属（Ag,Au）掺杂ZnO单层结构对CO、NO和NH₃气体分子的吸附特性。研究显示了CO、NO和NH₃分子倾向于吸附在纯的ZnO单层结构的T_Zn位点,而ZnO单层上NH₃的吸附能和电荷转移均大于CO和NO,表明ZnO单层对NH₃的吸附性能最优;通过贵金属（Ag,Au）原子掺杂可以极大地提高ZnO单层对CO和NO分子的吸附能力,模拟发现掺杂对NH₃分子的吸附变化不大;对于NO分子,在Ag和Au掺杂后的ZnO单层上的吸附能分别为-0.92 eV和-1.30 eV,比纯ZnO单层结构分别增加5倍和7倍,这些结果为进一步研究掺杂ZnO的气体选择性提供了理论依据,有助于拓展ZnO纳米材料在气体传感器领域的应用。