自旋电子学器件同时利用了电子的自旋和电荷属性,具有速度快、存储密度大、体积小、能耗低和非易失性等诸多优点在电子信息科学与技术领域具有十分广阔的应用前景。稀磁半导体被视为制造自旋电子学器件最具潜力的后备材料,现已成为该领域的研究热点。若把材料的光学、电学以及磁学性能结合到一起,将产生集磁光电为一体的新一代多功能自旋电子学器件。硫化铟（In2S3）具有缺陷尖晶石结构,其晶体中存在大量的空位缺陷,有利于客体离子的掺入。此外In2S3还具有低毒、高化学稳定性和良好的光学、电学性质,已被广泛应用于光催化、太阳能电池、自旋依赖的光电器件等多功能设备中。掺杂作为改变半导体材料性能的有效手段,通过不同浓度的元素掺杂可实现对材料光学和磁学性质的调控。本论文以In2S3为主体材料,选取稀土元素（Gd、Tm、Sm）和过渡金属（Cu）作为掺杂剂,制备出了具有发光、光电和室温铁磁性的In2S3基纳米颗粒。实验研究了掺杂浓度对其光学和磁学性能的影响,并通过第一性原理计算对体系的电子结构和磁性来源进行了系统分析。本文的主要研究成果如下:1.利用气-液相化学反应方法制备了四方相未掺杂和不同掺杂浓度的In2S3:Gd纳米颗粒,其晶粒尺寸约为3-5 nm。紫外-可见吸收光谱显示样品在可见光范围具有很强的吸收,并且随着掺杂浓度的增加,带隙值呈现出先增加后减小的规律。由于所制备样品的粒径小于In2S3的激子波尔半径（33.8 nm）,致使样品的光致发光（PL）光谱发生了蓝移,表现出明显的量子限制效应,同时Gd掺杂浓度可影响PL光谱的强度。磁性测量结果表明制备的样品具有室温铁磁性,饱和磁化强度随Gd掺杂浓度的增加呈先增加后减小的趋势,并基于束缚磁极化子理论对该现象做出了合理解释。第一性原理计算表明,铁磁性由In空位和掺杂的Gd3+离子所致,磁矩贡献主要来自于In空位周围最邻近的S 3p态和Gd 4f态。2.合成出了不同掺杂浓度的In2S3:Tm纳米颗粒（粒径尺寸3-5 nm）,掺杂稀土元素Tm导致体系光吸收边红移、带隙减小,同时在686 nm和789 nm处观察到了Tm3+离子~3H6→~3H2,3和~3H6→~3H4能级跃迁的吸收峰。较低Tm掺杂浓度导致样品PL强度增强,当掺杂浓度超过1.22 at.%时,由于发生浓度淬灭现象PL强度减弱,经分析浓度淬灭机制为电偶极-电偶极相互作用。样品荧光寿命随Tm掺杂浓度的增加而减小,证明了基质In2S3和掺杂Tm3+离子之间存在有效的能量传递。通过对p-Si/In2S3异质结构的光电性能测试,说明Tm3+离子的引入显著提高了In2S3对可见光的敏感性。此外,In2S3:Tm纳米颗粒还显示出了室温铁磁性,通过改变Tm掺杂浓度,样品的饱和磁化强度可调。从理论计算的态密度图可知,Tm掺杂后带隙减小、载流子浓度增加,样品的铁磁性主要由Tm 4f轨道电子提供。3.制备了具有较高纯度的未掺杂和不同掺杂浓度的In2S3:Sm纳米颗粒（大约3-5 nm）,通过调节Sm掺杂浓度可调控体系的带隙值,并且掺杂可增加样品的内部缺陷、降低局域对称性,从而增强PL强度。所制备的样品均显示出室温铁磁性,并且随Sm掺杂浓度的增加饱和磁化强度表现出先升高再下降的趋势。未掺杂In2S3纳米颗粒显示出的微弱铁磁性由晶体生长过程中所形成的空位缺陷引起,通过第一性原理计算证实了In2S3的磁性由In空位诱导。包含In空位和Sm掺杂的复合缺陷体系的磁性来自于In空位周围最近邻的S 3p态和Sm 4f态。能带结构计算结果表明,体系跃迁类型为间接跃迁并且掺杂Sm元素后禁带宽度减小,与紫外-可见漫反射光谱的测试结果一致。4.研究了具有室温铁磁性的纯In2S3和In2S3:Cu纳米颗粒,通过改变Cu掺杂量可调节晶体的光吸收带边位置,同时掺杂可增加样品的缺陷态进而导致PL强度增强。样品的饱和磁化强度随Cu掺杂浓度的增加而单调增大,说明Cu掺杂能够增强In2S3的铁磁性。通过第一性原理计算表明In空位对诱导In2S3:Cu铁磁性起到了至关重要的作用,Cu掺杂后体系的自旋极化现象由S 3p和Cu 3d态之间的轨道杂化引起,磁矩贡献主要来自于In空位周围S原子的3p态和Cu原子的3d态。