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InGaN合金具有高带边吸收系数、高熔点、高硬度、高热导率与电子迁移率、宽直接带隙、抗辐照等优点，因此在发光、传感、光伏器件等方面具有巨大应用价值。实验发现富Ga的InGaN合金具有很高的发光效率，同时，因与衬底晶格失配，合金中存在高密度的线位错，InGaN/GaN量子阱中还存在强的内建电场。这些看似矛盾却共存的事实使得人们相信在InGaN合金中存在强的载流子局域。然而，局域中心和发光机理到底是什么呢?以前广为接受的富In类量子点或相分离的观点近年受到实验质疑--量子点是材料在表征时受电子束损伤而产生的，InGaN应该形成随机合金--但这一发现不能排除In浓度微小涨落的存在可能。最近实验上高质量、无相分离InGaN薄膜、纳米线等的成功制备，以及关于InGaN合金中In分布的大量理论文献表明，In原子在该合金中的分布仍然是一个悬而未决的问题。另外，光学和光电子学研究通常需要知道材料的电子结构和光学响应情况。尽管关于GaN的此类研究已经比较透彻，但由于实验上材料制备和测量困难，InGaN三元合金的光学性质研究还不是很令人满意。这样，通过理论的方法，尤其是借助于第一性原理计算的方法来处理该类问题就显得有优势和必要。
本文第3章采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对不同浓度、构型的纤锌矿InGaN合金中In原子分布和电子局域情况进行了详细研究。我们发现，In原子在InGaN合金中倾向于均匀分布，大In-N团簇的形成在能量上是不利的。但InGaN合金中可以存在数目可观的小In-N原子团簇和短In-N-原子链。我们通过分析均匀的和含有In-N原子单元InGaN合金的结构和电子性质，发现合金的晶格常数对In原子的分布不敏感，但电子结构(带隙和带隙弯曲参数、价带宽)对In分布很敏感。我们对含有不同结构In-N原子单元的富Ga合金(In组分x<0.25)价带顶和导带底电子分布情况的计算发现，合金的导带底是不局域的，价带顶被强烈局域在几原子的小In-N团簇(尤其是c面内的In-N团簇)和短In-N-链周围。因此，正是这些微观原子单元作为载流子复合中心在富Ga纤锌矿InGaN合金光发射过程中起重要作用。对闪锌矿结构InGaN合金的类似计算表明，闪锌矿结构中原子分布和电子局域情况与纤锌矿类似，但In-N微观原子单元(团簇、链等)更容易形成。
本论文第4章对纤锌矿GaN和富Ga的InGaN合金光学性质做了研究。通过比较Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)和Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE)泛函算得GaN的电子结构和光学性质，以及实验和其他理论结果，我们发现PBE泛函尽管低估带隙，但可以给出很好的能带色散关系和光学谱中的典型结构。由此，我们进而采用PBE方法计算了InxGa1-xN(0
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