本书主要介绍了应变和缺陷态对Mn、Sm、Ce 掺杂ZnO磁光性能的影响，利用第一性原理计算，探索其磁光性能调控的机理，包括过渡金属Mn 掺杂和氧空位缺陷态的耦合作用对ZnO磁光性能的调控以及调控机理，稀土元素Sm 掺杂、点缺陷以及应变耦合作用对ZnO磁光能性能的调控及调控机理，以及稀土元素Ce 掺杂、点缺陷以及应变耦合作用对ZnO磁光性能的调控及调控机理。通过这三个调控机制研究ZnO磁光性能，不仅可以揭示点缺陷、掺杂和应变耦合作用对ZnO磁光性能调控机理以及相关实验现象，对长期困扰实验研究的缺陷问题也给出了合理解释。本书内容对于理解ZnO磁光性能的调控机理以及设计ZnO 材料将有所帮助。
本书可供太阳能电池、自旋电子器件以及光催化等领域的研究人员参考使用，也可供从事材料计算的研究人员阅读使用。

第1章 理论与计算方法 001
1.1 稀磁半导体002
1.2 稀磁半导体的磁性来源003
1.2.1 RKKY 理论003
1.2.2 平均场理论004
1.2.3 双交换作用理论005
1.2.4 束缚磁极化子（BMP）理论007
1.3 稀磁半导体的吸收光谱008
1.3.1 伯斯坦- 莫斯（B-M）效应009
1.3.2 带隙重整化效应 010
1.4 能带理论 012
1.4.1 绝热（Born-Oppenheimer）近似 013
1.4.2 单电子（Hartree）近似 013
1.4.3 Hartree-Fock 近似 014
1.5 密度泛函（DFT）理论 015
1.5.1 Hohenberg-Kohn 定理 015
1.5.2 Kohn-Sham 方程 016
1.5.3 局域密度近似（LDA）017
1.5.4 广义梯度近似（GGA）018
1.5.5 杂化密度泛函 019
1.6 应变理论 019
参考文献020

第2章 含本征点缺陷的ZnO磁光性能分析 023
2.1 模型与计算方法024
2.2 含本征点缺陷ZnO 的稳定性分析025
2.3 含本征点缺陷ZnO 的磁性分析028
2.4 含本征点缺陷ZnO 的光学性质分析032
参考文献038

第3章 Mn 掺杂ZnO 的磁光性能分析 041
3.1 含点空位的不同位置Mn 掺杂ZnO磁光性能分析042
3.1.1 模型与计算方法042
3.1.2 结构和稳定性分析043
3.1.3磁性分析048
3.1.4 光学性质分析055
3.2 含点空位的不同浓度Mn 掺杂ZnO磁光性能分析060
3.2.1 模型与计算方法 061
3.2.2 结构和稳定性分析062
3.2.3磁性分析063
3.2.4 光学性质分析068
3.3 含点空位的不同价态Mn 掺杂ZnO磁光性能分析074
3.3.1 模型与计算方法075
3.3.2 结构和稳定性分析076
3.3.3磁性分析080
3.3.4 光学性质分析085
参考文献 091

第4章 含点缺陷的Sm 掺杂ZnO 的磁光性能 097
4.1 不同价态缺陷对ZnO:Sm磁光性能的影响098
4.1.1 模型与计算方法098
4.1.2 对结构与稳定性的影响 100
4.1.3 对磁学性能的影响 103
4.1.4 对光学性能的影响 110
4.2 应变对ZnO:Sm磁光性能的影响 119
4.2.1 模型与计算方法 119
4.2.2 对结构与稳定性的影响 121
4.2.3 对磁学性能的影响 124
4.2.4 对光学性能的影响 131
4.3 不同价态缺陷和应变对ZnO:Sm磁光性能的影响 136
4.3.1 模型与计算方法 137
4.3.2 对结构与稳定性的影响 138
4.3.3 对磁学性能的影响 142
4.3.4 对光学性能的影响 149
参考文献 150

第5章 应变对含点缺陷Ce 掺杂ZnO磁光性能的影响 155
5.1 应变对Ce 掺杂ZnO磁光性能的影响 156
5.1.1 模型和计算方法 156
5.1.2 对结构和稳定性的影响 157
5.1.3 对光学性能的影响 159
5.1.4 对磁性能的影响 166
5.2 应变对Ce 掺杂与间隙H 共存的ZnO磁光性能的影响 170
5.2.1 模型与计算方法 170
5.2.2 对结构和稳定性的影响 173
5.2.3 对光学性能的影响 176
5.2.4 对磁性能的影响 186
5.3 应变对Ce 掺杂与点空位共存的ZnO磁光性能的影响 190
5.3.1 模型和计算方法 190
5.3.2 对结构和稳定性的影响 192
5.3.3 对光学性能的影响 195
5.3.4 对磁性能的影响204
参考文献208

在当今材料科学蓬勃发展的时代，半导体材料凭借其独特的物理化学性质，在光电器件、自旋电子学等领域展现出巨大的应用潜力。氧化锌（ZnO）作为一种宽禁带半导体，因具备优异的光学、电学和化学稳定性，成为科研工作者的重点研究对象。通过对其进行元素掺杂和缺陷工程调控，可进一步拓展ZnO的功能特性，而锰（Mn）、钐（Sm）、铈（Ce）等元素的引入，为ZnO在磁光领域的应用开辟了新的方向。而基于第一性原理的计算方法，能从原子和电子层面深入探究材料性能变化的本质，为实验研究和材料设计提供理论指导。
本书围绕锰、钐、铈掺杂氧化锌的磁光性能展开系统论述。第1章介绍了理论与计算方法，为后续章节的深入分析奠定基础。第2章聚焦本征点缺陷对ZnO磁光性能的影响，揭示缺陷在材料性能调控中的基础作用。第3章详细探讨了Mn掺杂与点缺陷、点缺陷价态对ZnO磁光电性能的协同影响，挖掘Mn元素掺杂带来的性能变化规律。第4章深入研究Sm掺杂、点缺陷、点缺陷价态及应力对ZnO磁光性能的复杂作用机制，展现多因素共同作用下材料性能的演变特征。第5章则着重分析Ce掺杂、点缺陷和应变对ZnO磁光性能的影响，探索Ce元素掺杂在材料性能优化方面的潜力。
本书的顺利完成，离不开各位作者的辛勤付出与通力合作。其中，第1～3章由内蒙古工业大学关玉琴完成，第4章由内蒙古职业建筑技术学院杨爱荣执笔，第5章由内蒙古工业大学许镇潮负责。本书在写作过程中得到了内蒙古工业大学侯清玉教授的支持，在此表示诚挚的感谢。
尽管我们在研究过程中竭尽全力，但由于研究的复杂性和学术水平的局限性，书中难免存在不足之处，恳请各位同行专家不吝赐教。

著者
2025年6月