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利用电子的电荷度和自旋自由度而能够创造出远远超出常规半导体器件所具有的功能，自旋电子学器件已经引起了人们广泛的兴趣。稀磁半导体无疑是这一领域中理想的材料。从工业生产和实际应用的角度来说，理想的稀磁半导体应具有良好的室温铁磁性，而磁性过渡金属掺杂的稀磁半导体居里温度差别非常大(10-950K)，而且磁来源很难去解释。因而人们把目光转向了非磁性金属掺杂的稀磁半导体，AlN稀磁半导体因为具有宽的带隙(6.1eV)和透光性而成为人们广泛研究的对象。但由于实验重复性差等原因，AlN基的稀磁半导体一直未得到广泛的应用，这就需要首先从理论上对其进行预测和分析。
另一方面，随着科学技术的发展，计算机的性能得到了极大地提高，材料模拟的理论也得到了长足的进步，使得通过计算机模拟设计新型材料成为可能。因而，本文借助计算机模拟对AlN基的稀磁半导体进行了研究，希望得到具有良好室温铁磁性的稀磁半导体材料，为接下来的实验提供理论指导。
本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯净纤锌矿AlN，然后也研究了非磁性阳离子M(M= Mg、Cu、Zn、Pd)掺杂的AlN基稀磁半导体，着重介绍了Cu掺杂AlN体系。主要研究内容及其结果如下：
1、对六方晶系纤锌矿AlN的能带结构、电子态密度和光学性质进行了详细的研究。AlN理论计算的晶格常数和实验值相符合。通过对能带结构和电子态密度分析，从理论上验证了AlN属于直接带隙半导体，导带底和价带顶均位于布里渊区的G点处，计算的带隙值5.074eV，比实验值偏小，这主要是GGA计算方法的原因，AlN的离子键性质比较明显。同时，也计算了AlN的能量损失谱、介电函数、吸收系数等光学参数，利用半导体带间跃迁理论和AlN电子结构信息，对介电谱图和能量损失谱等的峰值进行了辨别和解释，定性分析了光学性质的成因。
2、探讨了Mg、Cu、Zn、Pd非磁性杂质掺杂AlN的电子结构、磁性和光学性质，并重点分析了Cu掺杂AlN的情况，发现M掺杂的AlN体系(M=Mg、Cu、Zn、Pd)都存在自旋极化态，呈现半金属铁磁性状态，但磁矩来源不同，Mg、Zn掺杂的磁矩较小，主要来源于N原子的p轨道电子，而Cu、Pd掺杂体系的磁矩较大，主要来源于p—d轨道杂化。就光学性质而言，没有非常突出的变化，但是掺杂后带隙变窄，长波吸收加强，能量损失明显减小。
3、M掺杂AlN体系都呈现出比较稳定的铁磁状态，而且根据实验和平均场近似海森堡模型理论分析，它们的居里温度都超过了350K，具有良好的室温铁磁性，是非常有前途的稀磁半导体。