基于密度泛函理论研究了Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系的电子结构和光学性能。Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系均能稳定存在，过渡金属原子与Cd原子轨道的杂化减小了CdTe的带隙，提高了CdTe对可见光的利用，同时降低了光生电子从价带跃迁到导带所需的能量，从而促进了更多的光生电子发生迁移，大大提高了其光学性能。三种掺杂体系中Sb/CdTe体系在可见光范围内光吸收系数提升最显著，其光生电子和光生空穴迁移率相对于CdTe体系分别增加5.97倍和15.54倍。通过计算掺杂体系的能带、态密度、电子布居、光吸收函数、载流子迁移率，从理论上揭示了Au、Cu、Sb提高CdTe光学性能的机理。

本文主要研究了二维Janus型铬硫化物［Janus CrXY (X/Y=S, Se, Te)］的电子、压电性质。结果表明Janus CrXY是优良的半导体材料, 其带隙宽度为0.27~0.83 eV, x轴方向的应变调控对带隙影响较大, 而z轴方向的应变调控对带隙影响很小, 说明该体系电子特性在z轴方向具有良好的稳定性。通过密度泛函微扰法对体系的压电特性进行研究, 结果表明, 三种材料均具有较大的面外压电系数d33, 特别是CrSeTe的d33可达56.89 pm/V, 约是常用压电材料AlN(d33=5.60 pm/V)的10倍。本研究可为二维Janus CrXY在柔性智能纳米领域的实际应用提供理论支撑。

利用第一性原理计算方法研究了层间距和外部电场对graphene/WSSe范德瓦耳斯异质结的电子特性和界面接触的影响规律。由于范德瓦耳斯力作用，graphene和WSSe单层的电子特性可以被保留在graphene/WSSe异质结中。当形成graphene/WSSe异质结时，在石墨烯的狄拉克锥中可以发现小的带隙值(7 meV)。电荷转移产生的内建电场在有效阻碍光激发载流子复合中起着关键作用。与两个独立单层相比，graphene/WSSe异质结在可见光区域具有增强的光吸收，在光电子器件中展现出了潜在应用价值。此外，graphene/WSSe异质结在平衡层间距处显示出n型肖特基接触特性。层间距和外部电场都可以用来改变graphene/WSSe异质结的肖特基势垒高度和接触类型，并有效调节graphene狄拉克锥的位置。本文研究内容为graphene/WSSe异质结在纳米电子和光电子器件领域的应用提供理论依据。

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了完全Heusler合金Cr2ZrSb/Sc2FeSn(100)异质结中六种界面CrCr-ScFe-T、ZrSb-ScSn-T、CrCr-ScSn-B、ZrSb-ScFe-B、CrCr-ScFe-V和 ZrSb-ScSn-V的电磁特性及电子性质。结果表明,界面原子间的相互作用造成了界面间原子层的不均匀,导致界面层的力学失配率加大。与块体中的高自旋极化率相比,异质结的自旋极化率遭到不同程度的破坏。但是,ZrSb-ScFe-B界面保留了较高的自旋极化率值,通过Julliere模型预测该异质结在低温下隧道磁电阻值约为429.29%,在自旋电子学器件中具有潜在的应用前景。

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法, 通过投影缀加波(PAW)和广义梯度近似(GGA)系统地研究了Ti3(ZnxAl1-x)C2的结构、能量、声子性质、电子性质和弹性性质。对MAX相Ti3AlC2晶体中A位置的Al元素用Zn元素进行替换掺杂，构建出Ti3(ZnxAl1-x)C2(x=0,0.25,0.5,0.75,1)固溶体结构模型。计算分析表明: 在所研究的掺杂浓度范围内Ti3(ZnxAl1-x)C2均是热力学、动力学和力学稳定的脆性材料; 此外，Ti3(ZnxAl1-x)C2(x=0,0.25,0.5,0.75,1)均呈现金属性，在费米能级处的电子态密度主要贡献来自Ti-3d态，同时具有离子键、共价键和金属键的综合性质。随着Zn原子掺杂浓度的增加，在一定程度上其导电性和塑性均增强。

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了Mg单掺杂、N单掺杂和不同浓度的Mg-N共掺杂β-Ga2O3的结构性质、电子性质和光学性质，以期获得性能比较优异的p型β-Ga2O3材料。建立了五种模型：Mg单掺杂、N单掺杂、1个Mg-N共掺杂、2个Mg-N共掺杂和3个Mg-N共掺杂β-Ga2O3。经过计算，3个Mg-N共掺杂β-Ga2O3体系的结构最稳定。此外，在5种模型中，3个Mg-N共掺杂β-Ga2O3体系的禁带宽度是最小的，并且N 2p和Mg 3s贡献的占据态抑制了氧空位的形成，从而增加了空穴浓度。因此，3个Mg-N共掺杂β-Ga2O3体系表现出优异的p型性质。3个Mg-N共掺杂体系的吸收峰出现明显红移，在太阳盲区的光吸收系数较大，这归因于导带Ga 4s、Ga 4p、Mg 3s向价带O 2p、N 2p的带间电子跃迁。本工作将为p型β-Ga2O3日盲光电材料的研究和应用提供理论指导。

A2BB′X6型双钙钛矿分子材料由于其结构稳定、性质优异、成本低廉等优点受到了人们的广泛关注，具有无毒、环境稳定性高等特点，同时也成为目前太阳能电池研究领域的热点。为了筛选优质的双钙钛矿分子，本文采用密度泛函理论设计了10种A2BNiX6型双钙钛矿分子。研究了分子的结构稳定性、电子性质和光学性质，分析了不同位置的元素对其能带和光学性质的影响。研究结果表明,A2BNiX6型双钙钛矿都是直接带隙，非常有利于可见光的吸收。尤其是X位置为F原子的A2BNiF6的4种双钙钛矿带隙值为1.52~1.69 eV，非常适合作为光吸收材料。光学性质研究表明，A2BNiF6双钙钛矿是一种透明材料，在透明发光材料方面具有广泛的应用前景。尽管相对于杂化泛函存在一定误差，但这些研究为双钙钛矿太阳能电池的吸光材料提供了理论支持。

近些年, 由于硅半导体材料在微电子工业中的潜在应用, 其理论和实验研究备受人们广泛关注。 尤其是过渡金属掺杂的硅团簇材料在物理化学性质方面表现了极好的稳定性。 这些主要归因于过渡金属含有未填满的d轨道电子, 可以填充硅团簇表面的空轨道, 减少团簇表面的悬挂键, 进而提高整个掺杂硅团簇的结构稳定性, 同时产生各种特殊光学、 磁性和超导等性质。 采用密度泛函理论DFT-B3LYP方法对HmTiSin (m=1～2; n=2～8)团簇的几何结构和电子性质进行了理论计算, 讨论了Ti掺杂硅团簇TiSin(n=2～8)及其氢化团簇基态结构的变化规律、 解离通道和HOMO-LUMO能隙等特征。 结果表明, 随着Si原子数目的增加, 在TiSin(n=2～8)团簇中其掺杂Ti原子依次吸附在团簇的棱、 面及结构内部。 当在掺杂团簇表面吸附氢原子时, 都优于吸附在团簇的硅原子上, 而且绝大多数的氢化结构采纳了TiSin团簇的骨架构型。 解离能和HOMO-LUMO能隙的分析结果表明在团簇表面吸附两个H原子时能够明显提高整个团簇的结构稳定性。 二阶能量差分的研究发现TiSi2和TiSi6团簇相对其他团簇具有较高的稳定性, 同时两个H1TiSi7和H2TiSi7氢化团簇的稳定性更高。 此外, 模拟了这些氢化团簇的红外振动特征峰, 对主要特征峰进行了归属。 这些研究将为过渡金属掺杂硅基团簇材料的实验制备和表征提供重要的理论参考。