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众所周知，电子具有电荷和自旋两种自由度。传统的微电子学主要研究和控制电荷特性及其输运特性，极大地推动了社会的进步和人类的发展。但是，传统的微电子学只是利用了电子的电荷性质，而忽略了电子的自旋属性。随着社会的发展，电子的自旋逐步受到重视。二十世纪八十年代末期，巨磁电阻效应的发现，极大地引发了科研工作者对磁性材料的兴趣，并逐步形成了一门新的学科：自旋电子学。它是当今凝聚态物理研究种的热点领域，将电子的电荷和自旋两个自由度作为信息的载体，通过对电荷和自旋的调控，进而实现信息的传输，处理和存储。
铁磁性半导体是自旋电子学领域的关键材料，引起各界广泛关注。传统的制备方法为掺杂过渡金属离子进入半导体晶格，我们期望过渡族金属离子提供磁矩，载流子或者半导体的某种缺陷能够引起金属离子间的铁磁耦合作用，使半导体材料具有铁磁性，并保留重要的带隙。寻求具有本征的，高居里温度(即铁磁态与顺磁态的转变温度)的铁磁性半导体是自旋电子学的研究重点之一。掺杂最常见的半导体材料Si与Ge很难实现高居里温度的铁磁性，主要原因是过渡族离子在这些半导体材料中的溶解度很低，缺陷态局域半径不足以使得较远距离的过渡族离子产生铁磁交换作用；此外，最近邻的掺杂离子间往往会形成反铁磁耦合作用。因此，实验上Si与Ge基磁性半导体研究没有重大进展。上世纪九十年代，首先在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(如GaAs)研究中取得进展，但其居里温度仍低于室温，不能达到实际应用的要求。之后，以氧化物为代表的Ⅱ-Ⅵ族材料(如ZnO)也逐步得到重视。
ZnO是一种宽带隙(3.4eV)、高激子束缚能(60meV)的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，同时也是一种压电材料，在光学方面也有很多用途。在过渡族元素掺杂的ZnO材料中，实验报道的居里温度跨度很大，从几K到室温不等，且对磁性的起源也有不同的解释，还有一些得到顺磁性的报道。如何得到本征的、居里温度高于室温的磁性半导体，以及磁性来源的物理机制，是我们研究重点。
在本世纪初，对HfO2材料的研究发现，在非掺杂的HfO2中观测到了铁磁信号，认为是一种d0铁磁性。在后来的研究中，在SnO2，TiO2，ZnO等氧化物中也发现了类似的非掺杂铁磁性。大多数的研究者认为，磁性是由体系中的缺陷引起的，如：阴离子空位，阳离子空位，或是空位团簇，填隙离子等等。但缺陷也有不同的价态，理论计算也表明，具有低形成能的缺陷不一定是中性的，并且，磁性也与缺陷的价态有关。
ZnO作为一种具有光学应用前景的半导体材料，其光学性质与材料所受到的应力有关。多数研究者认为，拉伸应力会使得光学带隙变窄，而压缩应力则让带隙变宽，能带出现偏移。应力作为一种技术手段，对过渡族金属掺杂的ZnO材料磁性也会有影响，但具体的相关性还不清楚。
目前对磁性半导体的理论研究主要有两种方式：(1)模型化研究；(2)基于密度范函理论的第一性原理计算。本论文利用第一性原理计算软件计算ZnO基的磁性半导体的电子结构，从能带的角度研究磁性半导体中过渡族元素的耦合作用，分析磁性起源。由于密度范函理论和计算机技术的迅猛发展，多种第一性原理计算原件相继诞生，如 Vasp、Castep、Siesta、Quantum-Espresso等。本论文使用Quantum-Espresso和Vasp软件完成。
在基于Mn掺杂的ZnO磁性半导体材料Zn1-xMnxO中，Mn原子易于相互靠近，并形成近邻的反铁磁耦合的团簇，并且在Mn较远的情况下，磁相互作用消失，这对得到本征的、居里温度较高的磁性半导体是非常不利的。而掺杂在ZnO中的C原子，能够引入自发极化，并且磁极化分布比较广泛。引入C原子的Zn1-xMnxO中，Mn之间的最近邻的磁耦合为铁磁的，并且这种铁磁耦合作用可以在Mn相距较远的情况下得以保持，从而实现本征的、高居里温度的ZnO基磁性半导体。
对于ZnO材料的电子结构计算结果表明，在无掺杂的ZnO中，我们研究发现，中性的Zn空位，负一价的Zn空位，O填隙都可引入磁矩，其中，前两个是自发自旋极化，而后者为非自发自旋极化。因而，能够引入非掺杂磁性的本征缺陷只有中性的或负一价的Zn空位两种可能。进一步的磁耦合研究表明，中性Zn空位的磁耦合是顺磁性的，铁磁与反铁磁耦合没有明显的能量优势。而负一价的Zn空位之家的耦合则是铁磁的，并且铁磁耦合能保持在室温以上。并且，在n型ZnO中，负一价的Zn空位的形成能比中性的要低。因此，非掺杂的ZnO中的磁性起源是负一价的Zn空位之间的铁磁耦合作用。
多数实验及理论研究表明，Zn1-xMnxO中，p型缺陷可以使得Mn之间为铁磁耦合的。在本征的p型缺陷中，常见的有中性和负一价Zn空位两种。在实验研究中，有研究者认为，中性Zn空位可引起Zn1-xMnxO的铁磁性；而在具有铁磁性的Zn1-xMnxO材料中，实验工作者也观察到了负一价的Zn空位。在理论研究中，大多数科研工作者都集中在对中性Zn空位缺陷的研究中。我们的研究发现，两种缺陷都可引入Zn1-xMnxO的铁磁性，在Zn1-xMnxO中，中性Zn空位具有较小的形成能，因此，在Zn1-xMnxO的铁磁性中起主要作用。