利用第一性原理, 研究了S空位(VS)和Tc掺杂单层MoS2的电子结构和磁学性质。结果表明, Tc掺杂的单层MoS2是一种具有铁磁性的n型半导体; 与Tc掺杂体系相比, VS的引入不会导致(TcVS)掺杂系统的总磁矩发生显著变化, 且磁矩主要由Tc原子所贡献; 在2Tc掺杂体系中, 通过形成能分析确定出最稳定构型; 2Tc掺杂体系的磁矩为2.048 μB, 主要由两个Tc 原子贡献。通过自旋电荷密度分析表明, (Tc-4d)-(S-3p)-(Mo-4d)-(S-3p)-(Tc-4d)耦合链的形成可能是2Tc掺杂体系发生铁磁耦合的原因。

最近，对二维铁磁材料的研究已成为自旋电子器件领域的热点。本文通过自旋极化密度泛函理论计算，设计出一种新型的二维材料Fe3As，其居里温度(Tc)为300 K，可达到室温。预测的二维Fe3As具有很强的面内Fe—Fe耦合，其大的磁各向异性能量(MAE)大约为366.7 μeV，有助于材料维持长程铁磁序。这种二维Fe3As的能带同时具有平带和狄拉克点的特征。值得注意的是，平带的位置与磁耦合的强度正相关。此外，在双轴应变的作用下，随着平带和费米面之间的距离不断减小，Tc也在逐渐升高。因此，Fe3As单层有望成为二维室温自旋电子学器件的一种有前途的候选材料。

自石墨烯被发现以来, 各种具有新奇特性的二维材料受到了越来越多的关注。Janus型二维材料具有不对称的表面特性, 这种特殊的结构往往具有独特的电学、磁学与光学性质, 使其成为近年来材料科学领域研究的热点。本文搭建了Janus型结构CrXX’(X/X’=S, Se, Te)(CrSSe, CrSTe, CrSeTe), 研究了体系的电学、磁学、光学性质, 并探究了双轴应变对其电学、磁学、光学性质的影响。结果表明, CrSSe、CrSTe与CrSeTe均呈现金属性, 都是电子的优良导体, 三种体系的电子结构对外加应变具有很好的鲁棒性。CrXX’(X/X’=S, Se, Te)具有本征铁磁性, 并且通过施加双轴应变可对其磁矩进行调控。此外, 三种体系均具有较高的居里温度, 特别是CrSTe的居里温度可达310 K。CrXX’(X/X’=S, Se, Te)还具有优异的可见光与紫外光吸收性能, 应变可对其光吸收系数进行调控, 并且压应变与拉应变可分别使其吸收谱线向短波与长波方向移动。本文的工作为进一步研究二维Janus单层CrXX’(X/X’=S, Se, Te)在新型室温自旋电子器件领域的应用提供了理论支持。

用注射超声喷雾法将前驱体由针管直接送入超声喷头内, 在石英基板上制备Zn1-xCrxO（x=0.0, 0.01, 0.03, 0.05）薄膜。 采用X射线衍射仪、 扫描电子显微镜、 荧光光谱仪、 紫外-可见分光光度计、 振动样品磁强计（VSM）等对薄膜的结构、 光学和磁学性质进行测量。 实验结果表明, 未掺杂的ZnO薄膜为六角纤锌矿结构, 沿着c轴（002）择优取向, 而Cr掺杂抑制了薄膜的c轴择优取向性； 掺杂后的薄膜平均晶粒尺寸均增大, 且当x=3%时, 晶粒尺寸最大, 达31.4 nm。 扫描电镜（SEM）下薄膜呈球形颗粒状, 并且在x=5%下, 薄膜出现了长条状的微观形貌。 Cr掺杂使样品的光致发光谱（PL）发生了很大的变化： 未掺杂的样品的PL谱在378 nm处存在一个紫外发射峰, 对应于550 nm附近还存在一个由于缺陷态引起的绿光发射峰； 掺Cr样品只有在350～550 nm的很宽的范围内存在一个发射峰, 对其进行高斯拟合后, 发现掺Cr量为x=1％, 3％, 5％下样品均存在VZn（锌空位）、 Zni（Zn间隙位）、 V-Zn（带一个电子的锌空位）内部缺陷态, 且当x=3%时, VZn最多。 Cr的掺杂使得薄膜的带隙增大, 并且x=3%时, 禁带宽度最大, 达到3.374　eV。 掺Cr的三个样品均具有室温铁磁性, 且x=3%样品的磁化强度最大, 其与VZn(锌空位）最大相对应, 验证了Cr3+和VZn的缺陷复合体是ZnO∶Cr样品具有稳定的铁磁有序的最有利条件的理论预测。

钴掺杂氧化锌是室温稀磁半导体的重要候选材料,其磁学特性和钴掺杂浓度、显微结构及光学性质密切相关。磁控溅射具有成本低、易于大面积沉积高质量薄膜等特点,是广受关注的稀磁半导体薄膜制备方法。利用磁控溅射方法制备了不同浓度的钴掺杂氧化锌薄膜,并对其显微结构、光学性质和磁学特性进行了系统分析。结果表明: 当掺杂原子分数在8%以内时,钴掺杂氧化锌薄膜保持单一的铅锌矿晶体结构,钴元素完全溶解在氧化锌晶格之中;薄膜在可见光区域有很高的透射率,但在567, 615和659 nm处有明显吸收峰,这些吸收峰源于Co2+处于O2-形成的四面体晶体场中的特征d-d跃迁。磁学特性测试结果表明钴掺杂氧化锌薄膜具有室温铁磁性,且钴的掺杂浓度对薄膜的磁学特性有重要影响。结合薄膜结构、光学和电学性质分析,实验中观察到的室温铁磁性应源于钴掺杂氧化锌薄膜的本征属性,其铁磁耦合机理可由束缚磁极化子模型进行解释。

掺V³⁺离子的ZnS晶体局部结构与光谱和顺磁共振(EPR)参量有关联。根据Sugano－Tanabe方案建立了d^2／8电子强场45×45阶完全能量矩阵，由自旋哈密顿理论推导了EPR参量的计算公式，通过点荷－偶极子模型得到了离子簇局部T_d对称结构与晶场参量的关系，基于半自洽场d轨道和完全对角化方法，从局部结构统一解释了ZnS∶V³⁺的光谱和顺磁g因子，计算结果与实验符合。计算结果表明，ZnS∶V³⁺的光谱和EPR谱可以在晶体场理论框架内得到理解。

在含过渡金属离子的半磁半导体的光学和磁学性质研究中,由于体系的共价性较强,d轨道不再是纯d轨道,而是混合轨道t2g或eg。相应地,需要引入两个共价因子Nt和Ne。建立在混合轨道上的含有共价因子的能量矩阵称为广义能量矩阵。建立了d2,8电子体系的(45×45)阶广义能量矩阵。在广义能量矩阵中,拉卡(Racah)参量A不再是相加常量,同时,d8电子体系不能简单地视为互补的d2空穴体系,因为它们的能量矩阵形式不同。Nt和Ne虽然是属于两个不同轨道的不同的共价因子,但在数值上不能有大的差别,因为考虑进共价效应后,拉卡静电参量A对能级计算有极大的影响。这意味着在通常的光谱拟合中所采用的BCΔ方案是好的近似。以上结论被应用于ZnS:Ni2+的d-d跃迁谱,计算结果与实验符合。

在傅里叶变换型磁光谱仪中,起偏器和检偏器的初始方位通常需要在测量前预先定位。提出了一种不需要专门对起偏器和检偏器定位即可完成磁光谱的测量计算的新方法,该方法可以计算出起偏器和检偏器的初始角度值,从而进行自动校准。推导了检偏器旋转角度偏差导致磁光偏转角测量误差的理论公式,并进行了数值分析,给出了测量误差与旋转步数的关系,数值结果表明检偏器角度偏差引起的误差与步数的平方根成反比关系。还给出了一个钴膜样品的磁光克尔角随外加磁场变化的实测曲线。