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氧化锌（ZnO）作为一种具有优良压电、光电特性的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料,在电学、光学和磁学等方面具有广阔的应用前景。特别是ZnO基稀磁性半导体材料,由于可能具有超过室温的居里温度Tc、大的磁性离子溶解度、在可见光范围内透明等特点,有希望成为新一代信息处理和储存、量子计算和量子通讯等领域的重要材料。本文应用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,系统研究了ZnO纳米材料及其3d过渡金属掺杂的一维ZnO纳米材料的几何结构、电子结构以及磁、光、电属性,分析了一维ZnO基稀磁半导体材料的磁性来源和磁性耦合机理,以及过渡金属掺杂对一维ZnO纳米材料磁学、电学和光学性能的影响,为实验制备高质量、高居里温度的一维ZnO纳米磁性材料提供了理论依据。论文的主要内容和结果如下:1.ZnO体材料电子结构的理论研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对比研究了ZnO体材料采用不同的交换关联函数时的基本结构和性质。计算结果显示,采用LDA+U和B3LYP交换关联泛函方法明显优于单独采用GGA和LDA的计算结果,LDA+U和B3LYP密度泛函计算得到的带隙值更接近于实验值,但LDA+U和B3LYP耗时将成倍增加,而GGA所用时间最短。2.ZnO纳米线和纳米管电子结构与属性的理论研究。采用密度泛函理论研究了ZnO纳米线和纳米管的几何结构、电子结构和光学性质。研究发现,随着ZnO纳米线尺寸的增加,结合能逐渐降低,体系逐渐趋于更加稳定的结构。电荷密度计算结果显示整个ZnO纳米线中Zn-O之间主要以共价键为主,同时兼有离子键成分,p-d轨道具有强烈的交叠杂化效应,整个纳米线表面电荷都向外偏聚,电子的离域性增大,Zn-O间共价性减弱,离子性增强。ZnO纳米管理论计算结果显示,所有构型的纳米管都由原来的皱褶型转变成圆柱形管状结构,结合能都为负值,表明单壁ZnO纳米管是可以稳定存在的。电子结构计算显示ZnO纳米管是一直接带隙的宽禁带半导体材料,带隙值都明显大于体材料;随着纳米管管径的增加,整个价带与体材料相比明显展宽,且向低能方向漂移,在价带顶出现了表面效应引起的缺陷态能级;ZnO纳米线和纳米管光学性质计算结果显示,随着ZnO纳米线尺寸和纳米管管径的减小,吸收光谱发生了蓝移现象,且对应于紫外波段。3.3d过渡金属掺杂ZnO纳米线磁学、光学和电学性能的研究。采用基于自旋极化的密度泛函理论计算方法,系统研究了3d过渡金属掺杂ZnO纳米线的几何结构、电子结构以及磁学、电学和光学属性。研究发现,V掺杂体系只具有铁磁性耦合特征,Mn掺杂只具有反铁磁特征,而Cr、Fe、Co和Ni掺杂体系不同的取代位置则对应于不同的磁性耦合特征,因此,3d过渡金属掺杂ZnO纳米线具有丰富的磁学现象,特别是对于Co掺杂,铁磁性耦合形成了半导体磁性材料,理论预测具有优异的磁光性能,而反铁磁性掺杂却形成了半金属磁性材料。光学性能计算结果显示,3d过渡金属掺杂对ZnO纳米线的整体光学性质影响并不大,Mn、Fe、Co、Ni掺杂都发生了蓝移现象,Cr掺杂发生了红移现象。4.3d过渡金属掺杂ZnO纳米管磁学、光学和电学性能的研究。采用基于自旋极化的密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了3d过渡金属掺杂ZnO纳米管的几何结构、电子结构以及磁学、电学和光学属性。研究结果表明,V、Cr和Mn掺杂ZnO纳米管更容易形成铁磁性材料,具有很强的磁性;Fe和Co掺杂ZnO纳米管更容易形成反铁磁材料;而Ni掺杂ZnO纳米管反铁磁性能较铁磁性能稍稳定。电子结构计算结果显示,在费米能级附近3d态分裂为离域的三重态t2g和局域的二重态eg,出现了强烈的杂化耦合特征;光学性质计算结果显示,3d过渡金属掺杂ZnO纳米管在紫外区出现了3个明显的吸收峰,近紫外吸收带边发生了红移,400nm处的吸收峰发生了一定的蓝移,且Mn、Fe、Co、Ni吸收峰强度明显增强,而Cr的吸收峰强度减弱。理论计算结果表明3d过渡金属掺杂ZnO纳米管是一种优异的紫外光电子材料。