半导体信息材料和器件是信息科学技术发展的先导和基础。近年来,稀磁半导体研究的进步,唤起了人们对基于单个元件同时具有半导体的逻辑功能与磁性元件的信息存储功能的应用希望,即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度,这也激励着我们加快寻找和设计室温铁磁性半导体材料的步伐。倘若能找到具有室温铁磁性的半导体,则必将给计算机领域带来一场新的革命。此外,随着能源问题和环境问题的日益严峻,开发新能源、节能减排、污染治理等方面的需求日益迫切。TiO2由于其独特的性能,在太阳能采集、污染物处理等方面有广阔的应用前景。本文以光电子领域应用最广泛的n型透明导电氧化物为研究对象,对其电子结构、掺杂特性和磁性起源展开研究,主要创新性成果如下：由于半导体的磁性取决于磁性离子在半导体中的自旋轨道分裂大小及其磁性离子的耦合程度,我们首先研究了氧八面体中晶格畸变对3d6磁性离子能级的影响(以Ni掺杂TiO2和SnO2、Co掺杂In2O3的体材料和纳米晶结构为例)。研究发现,通过改变晶体结构来增强磁性离子的自旋分裂程度,可以实现操控半导体磁性的目的。具体的结果有：(ⅰ)在掺杂浓度较低时,八面体小幅度畸变不会导致3d6离子磁能级自旋分裂,所有的研究体系中均没有磁性；如果掺杂浓度提高,使得两磁性离子可以处于相邻阳离子位置,或者八面体畸变程度加大,3d6离子磁能级会发生自旋分裂,并产生有效磁矩。(ⅱ)氧离子空位存在于过渡族金属氧化物时,空位产生局域磁矩,与3d6离子通过超交换作用耦合；氧离子空位存在于主族氧化物时,空位提供巡游电子,通过改变3d6离子的电荷数而与3d6离子发生长程耦合。其次,根据纳米结构的化合物存在非化学配比和表面悬挂键的问题,这些会造成化合物呈非电中性,即存在多余的载流子。我们研究了一个非化学配比的氧化铟量子点中表面悬挂键波函数特性。研究发现：纳米结构中表面悬挂键态密度的自旋分裂是诱导纳米结构非传统磁性的主要原因之一,这为调控半导体磁性增加了新的手段。采用带分数个电子的赝氢原子来饱和纳米结构的表面态,使体系保持电中性,很好地模拟了材料一般不会带电的实验结果。氧离子表面悬挂键态主要分布在价带顶的边缘,相当于浅的受主能级提供空穴,作自旋计算时,会产生较大的自旋极化；铟离子表面悬挂键电子态主要分布在略低于导带底的带隙中,相当于浅施主能级提供电子,与导带边发生自旋耦合。当用赝氢原子将表面悬挂键完全钝化后,带隙里面的局域表面态和自旋极化态就消失了。再次,以Ni掺杂金红石结构SnO2纳米线为例,综合考察了晶格畸变和表面悬挂键的作用,明确了对半导体磁性进行综合调控的效果。研究表明：相对于非化学配比的氧化铟纳米晶结构,表面畸变程度小的单晶金红石结构的SnO2纳米线的自旋分裂能要小得多。3d6离子掺杂没有悬挂键的SnO2纳米线不能带来自旋极化,当存在悬挂键时,阳离子和阴离子表面悬挂键分别起到施主和受主能级的作用,使得带隙中的3d6离子能级出现部分占据态,而产生自旋极化。阳离子悬挂键电子态比阴离子悬挂键电子态对3d6离子掺杂SnO2纳米线的自旋极化作用更大,当阳离子悬挂键与3d6离子的比值为3：2时,3d6离子掺杂SnO2纳米结构具有最大的磁矩。最后,基于钝化掺杂思想,提出了钝化原理在提高Ti02的光催化效率和加强半导体磁性方面的应用。研究表明：(ⅰ)钝化共掺杂能够提高TiO2的光催化效率。这是由于通过此方法可以钝化施主-受主复合体,使得光生电流不会被受主能级中的空穴复合。其中,C和W共同掺杂到TiO2体材料中使得价带边往上移动,而导带边几乎没有移动,TiO2的能隙也降低到约为2.2eV,最有利于TiO2光催化系统吸收可见光。(ⅱ)钝化共掺杂方法使得Ti02的p型掺杂成为可能。这是由于TiO2的价带边较低,很难进行p型掺杂,我们用第Ⅳ主族和第Ⅵ副族元素钝化共掺到TiO2中不仅能够大幅度的提高价带边,而且也在一定程度上使导带边往上移动。(ⅲ)钝化群掺杂还可以加强半导体自旋极化。采用N离子替代TiO2中的。离子,可以得到1个空穴,并产生约为0.7μB的磁矩,费米能级高于价带顶,空穴能级局域在费米能级附近。但通过钝化群掺杂后,费米能级进一步远离价带顶,空位能级变得更加局域,体系的自旋交换能增大,表明TiO2体系的自旋劈裂增大,自旋极化得到增强。