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稀磁半导体材料作为最具有应用前景的自旋电子学材料成为研究者们关注的焦点。在对稀磁半导体材料的研究中存在最为关键的一个问题是体系中铁磁性的来源。然而，由于人们合成的稀磁半导体材料的性能极易受到合成方法和条件的影响，这对探索体系中磁性来源造成极大的困难。为了对掺杂体系中铁磁性的来源形成一个清晰而又全面的认识，我们采用了基于密度泛函理论的第一性原理的方法，计算并研究了掺杂半导体体系的磁性和电子结构。在对国内外研究现状进行广泛调研的基础上，本论文将研究掺杂体系中掺杂金属离子、掺杂构型、缺陷和基质阴离子对体系磁性和电子结构所产生的影响。主要结果如下：
(1)掺杂体系的磁性和电子结构对掺杂金属离子的依赖。通过采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法研究过渡金属离子(Cr,V和Mn)掺杂MgO体系的磁性和电子结构。研究表明，对Cr2+离子掺杂MgO体系的，掺杂体系具有铁磁性，并且铁磁态的稳定性随掺杂离子浓度增加而降低。当Cr离子掺杂较低时体系存在半金属性。通过改变Cr离子浓度，可以有效控制体系中载流子的自旋方向。对V2+离子掺杂MgO体系的计算结果显示，掺杂体系具有反铁磁性，并且随着掺杂浓度的增加体系反铁磁态的稳定性相应增加。掺杂V离子极大地改变了掺杂体系的电子结构，尤其是当掺杂V2+离子浓度增加到75％，可以发现虽然掺杂体系仍显示反铁磁性，但其上下自旋态密度分布明显地不同。对Mn2+离子掺杂MgO体系进行研究发现，掺杂体系仍具有反铁磁性。在采用GGA+U方法计算时，通过改变U值的大小，可以对Mn-O间相互作用产生影响。结果表明，体系中Mn-O键之间相互强度与体系反铁磁态的稳定性密切相关。
(2)掺杂体系磁性对掺杂构型的依赖。通过采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法研究过渡金属离子Cr掺杂ZnS体系的磁性和电子结构。计算结果显示，掺杂体系的磁性受到掺杂构型的显著影响。具体地说，当两个Cr离子处于最近邻时，由于Cr离子间的反铁磁超交换作用，体系将显示出反铁磁性：而随着距离的增加，Cr离子之间主要通过Cr(3d)-S(2p)-Zn-S(2p)-Cr(3d)耦合链形成的铁磁相互作用，体系显示出半金属铁磁性。因此，通过对Cr离子掺杂构型的调控可以显著影响掺杂Cr离子之间的相互作用，对体系的结构、磁性和电子结构产生明显的影响。
(3)掺杂体系磁性和电子结构与体系中缺陷的依赖关系。通过采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法对MgO/MgN超晶格和N离子掺杂的MgO体系中引入Mg缺位和O缺位的磁性和电子结构进行研究。在对不同结构的MgO/MgN超晶格进行研究发现，MgO/MgN超晶格结构均具有铁磁性，并且随着MgN层数的增加，铁磁态的稳定性也相应增加。由于MgO与MgN结构相近并且在界面处晶格畸变较小，两者界面对体系的磁学性质影响较小。但随着MgN层数的增加，MgO/MgN的界面对体系性质的影响相应增加，导致体系态密度分布发生显著变化。而N离子掺杂的MgO中离子缺位对体系的磁性和电子结构都有较大的影响：当在掺杂体系中引入Mg缺位时，能显著提高体系的净磁矩；而当体系中存在O缺位时，体系则不显示磁性。这主要是由于离子缺位改变了掺杂N离子的价态，影响了N离子2p轨道中空穴的数目，从而实现了对体系磁性的调控。
(4)掺杂体系磁性和电子结构与掺杂基质阴离子的依赖关系。通过对Mg0.75Cr0.25X（X=S、Se和Te）体系的磁性和电子结构研究发现，Mg0.75Cr0.25X（X=S、Se和Te）体系的具有半金属铁磁性，并且随着阴离子原子序数的增加，体系铁磁态稳定性随之降低。当Mg0.75Cr0.25X（X=S、Se和Te）体系晶胞体积发生变化时，虽然体系仍能保持铁磁性，但是，当其被压缩到一定程度时，体系的半金属性质消失。对于不同的基质阴离子而言，半金属性质消失时晶胞体积并不相同。这说明在实际应用当中，我们可以通过改变基质的阴离子种类来对掺杂体系进行调控，使其在具有与基底相匹配的晶格参数时仍保持半金属性质。