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一直以来，人们专注于操控半导体中电子的电荷自由度来实现信息的传输和处理。然而，随着晶体管尺寸的越来越小，电子输运的量子效应越来显著，这使得精确控制电子的集体输运行为也越来越难。因此，为了进一步提升半导体器件的性能和速度，人们开始重视利用电子的自旋属性来同时完成信息的处理和存储，并开辟出一个全新的研究领域—半导体自旋电子学。半导体自旋电子学是电子学的进一步发展，其目的是实现电学、光学和磁学三者的融合，以满足信息技术的超高速、超宽带和超大容量发展趋势，并最终达到固态量子计算和量子通讯的目标。
目前，实现半导体自旋电子学的设想需要解决的一个重要问题是:找到一种同时具有优越电学、光学和磁学性质的材料或器件。由于磁性半导体同时具有半导体的优异光电特性以及磁性材料的磁学特性，并且其电学、光学和磁学性质常常是耦合在一起的。因此，近年来磁性半导体作为实现半导体自旋电子学的一个重要候选材料体系而受到人们的高度关注。
在本论文中，我们研究了HgMnTe窄禁带磁性半导体的磁学、光学和电学性质，并分析了磁性离子自旋体系与载流子（电子和空穴）自旋体系中两类磁交换作用（d-d磁交换和sp-d磁交换）影响这三方面特性的物理机理。这些的结果有助于挖掘HgMnTe窄禁带磁性半导体在自旋电子学方面的应用价值，并为新型自旋效应器件的设计提供参考和指导。
此外，我们还以GaInP多量子阱材料为载体，研究了常规半导体中电子在受到晶格应变和晶格长程有序/无序因素影响下的能带结构和光电跃迁特性，这对于提高半导体低维结构（广泛应用在信息光电子学和光通讯领域）的光电性质具有重要意义。本论文主要获得如下结果:
一、HgMnTe窄禁带磁性半导体方面:
(1)研究了不同Mn组分Hg1-xMnxTe单晶的变温磁化率特性和在低温弱磁场下的磁化行为。得到:Hg1-xMnxTe在低温顺磁增强区域的磁化率符合X(T)=C/T+T0e-K0/T形式的修正Curie-Weiss定律;同时发现高Mn组分的Hg1-xMnxTe(X～0.16)单晶在低温(T≤Tf)和弱磁场下出现巨抗磁性和磁化台阶现象，其中巨抗磁性的抗磁磁化率大约为经典抗磁性的100-1000倍，且两者都随着温度升高和磁场增强而消失。
(2)通过理论分析和MonteCarlo数值模拟得到:磁化台阶现象来自于均匀分布Mn离子系统中存在长程反铁磁交换效应，而巨抗磁性现象来自于长程反铁磁交换诱导非均匀分布Mn离子在低温弱磁场下出现磁化取向振荡分布的准静态自旋磁化波结构。
(3)研究了不同Mn组分、不同导电类型Hg1-xMnxTe单晶中的负磁阻效应及物理机制。得到:p型Hg1-xMnxTe中负磁阻随磁场和温度的准确拟合关系，并且分析结果表明非简并p型Hg1-xMnxTe的负磁阻效应来自受主有效电离能随磁场增强而减小的效应。
(4)首次研究了p型Hg1-xMnxTe中受主或受主型束缚磁极化子(ABMP)的变温光致电离吸收（外能级跃迁）和变温Lyman吸收（内能级跃迁）特性。得到:在Hg1-xMnxTe中，ABMP的光致电离吸收行为可以用经典谐振子模型（类氢原子）的介电特性进行较好的描述，同时其Lyman吸收谱中存在一个微带隙。
(5)通过综合一系列电学、光学、磁学和理论计算结果得到:Hg1-xMnxTe单晶中的受主能级（Hg空位）具有零磁场自旋分裂特性（特别是在低温下），并导致了p-Hg1-xMnxTe单晶中受主光致电离吸收峰的低温反常蓝移和变温Hall实验中受主电离能在低温下慢慢减小的实验结果。
(6)研究了不同Mn组分和杂质浓度Hg1-xMnxTe单晶的带边吸收特性。得到:在Mn组分合适且杂质浓度较高（NA-ND≥2.0×1017cm-3）的HgMnTe单晶在低温下可出现光致磁化效应，并导致吸收边的反常蓝移和偏振极化吸收现象。
(7)根据磁性半导体中磁性杂质的相关特性、Landau二级相变理论和→k·→p微扰理论，提出一种束缚磁极化子(BMP)诱导铁磁性模型。该模型的初步数值模拟结果表明:在HgMnTe单晶中，当施主型BMP浓度超过某一数值时，施主型BMP的电离可诱导整个Mn离子自旋体系能出现自发磁化，且计算出的磁化温区与在高杂质浓度HgMnTe单晶样品中电学、磁学和光学实验现象出现异常的温区较接近，同时变温行为也类似。
二、GaInP多量子阱方面:
对一系列的晶格匹配GaInP多量子阱和存在压应变GaInP多量子阱进行了变温光致发光和空间分辨光致发光研究。并得到:压应变和生长取向在影响GaInP多量子阱长程有序度方面存在竞争效应。
该效应导致GaInP多量子阱在其生长方向上(z)或侧方向平面内(x-y)存在不同有序度（分布）的GaInP有序畴，并使得压应变GaInP多量子阱的光致发光出现峰型分裂和空间不均匀性现象，其中以6°[111]A生长取向的压应变GaInP多量子阱中最显著。同时，该效应可用自由能取极小的唯象模型进行解释。此外，由于该效应会增大压应变GaInP量子阱的长程有序度的空间涨落，并引起材料和器件的性能下降，所以在实际的材料生长和器件设计时应考虑此效应的影响。