自石墨烯在实验上被成功制备后,因其独特的电子结构及电学性质引发了人们对二维层状材料的研究热潮。此后,硅烯、锗烯、碳氮片、硼氮片等层状材料在实验上也相继制备成功。近年来理论计算和实验发现当薄膜厚度逐渐减少时,有些半导体超薄膜原子结构会由闪锌矿结构或者纤锌矿结构转变为类石墨结构。特别值得指出的是当薄膜厚度只有一个原子层时,有些体系的原子结构处于一个平面层如C、BN、ZnO等。而有的体系的原子处于不同的两个平面层形成所谓的倒扣结构如Si、Ge等。从结构特征出发,我们发现类石墨的平面结构主要形成sp2杂化键而层外主要通过范德瓦尔斯相互作用而耦合。而对于闪锌矿结构和纤锌矿结构而言主要形成sp3杂化键。从中可发现原子层中所形成的化学键是结构相变的决定因素。为此我们通过紧束缚近似模型结合第一性原理方法确定了多种半导体中sp3和sp2杂化键能并利用键能成功的描述了薄膜的结构相变及局域电荷所诱导的磁性,其要点如下:1、类石墨的平面结构和类硅烯的倒扣结构:我们分别计算了如C、Si、Ge、ZnO等14种半导体材料的sp2和sp3杂化键能。通过比较两种键能我们发现当体系的sp3杂化键能大于sp2杂化键能时,单原子层的薄膜趋向形成类硅烯的倒扣结构。而当sp2杂化键能大于sp3杂化键能时,则趋向形成类石墨烯的平面结构。我们计算表明:体系的sp2键能与sp3键能是决定体系结构的关键因素。2、结构转变的临界厚度:实验结果表明当薄膜厚度无限大时,ZnO表现为纤锌矿结构,而当薄膜厚度较小时表现为类石墨的平面结构。我们从sp2与sp3的键能角度出发,发现sp2与sp3的键能差是决定厚度转变的主要因素。我们利用sp2与sp3的键能成功的确定了体系结构相变的临界厚度并进一步用第一性原理进行了佐证。我们发现当二者能量差越大其临界转变厚度越大。我们通过施加应变调节sp2与sp3的键能差从而达到控制结构转变的临界厚度。我们的结果表明当增加拉应变时,sp2与sp3的键能差线性增加,从而导致其临界厚度线性增加。3、局域电荷诱导的磁矩:众所周知,键能愈大,对电子的束缚能力愈强,由于杂化与束缚电子能力不同,必将导致电子配对出差异,从而诱导出磁性。我们以半导体阳离子缺陷为例,系统的探讨了杂化键能强弱所诱导的磁矩。研究表明杂化键能越大,缺陷诱导磁矩出现的可能性越大。特别值得提出的是当杂化键能大于1.6ev时,阳离子缺陷将诱导出磁性,而小于1.6ev时,体系将不会出现局域磁矩。