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氧化锌(ZnO)因其优异的光电、压电特性而备受瞩目,然而其p型掺杂困难(本征生长呈现n型)已经成为阻碍其广泛应用的障碍。而相变存储材料,如锗锑碲(GeSbTe)在光盘存储和新一代非挥发电子存储领域有着广阔的应用前景,然而其相变机理一直存在争论。本文利用第一性原理方法探讨上述两个有重要应用价值的科学问题并取得以下四方面创新成果:ZnO中氢(H)杂质稳定性问题:在ZnO中H呈现浅施主特性而备受关注,我们系统地研究了ZnO中间隙H+的束缚位置及稳定情况,发现当杂质钙(Ca)等价替代锌(Zn)格点位后间隙H+从原来的BC||位转移到含Ca时的ABO?位,Ca和H+之间存在强束缚,我们利用电荷转移机理解释了这一现象的物理本质。这一发现解决了当前间隙H+在ZnO中存在不同稳定束缚位置的争论。离子半导体缺陷中性束缚效应:基于第一部分工作,我们系统研究了Ⅱ-Ⅵ,Ⅲ-Ⅴ,Ⅳ族半导体缺陷的中性束缚效应,发现除氧化锌掺钙(Ca_Zn@ZnO)外,氧化铍掺钙(Ca_Be@BeO)、氮化镓掺钇(Y_Ga@GaN)、氮化硼掺钇(Y_B@BN)、氮化硼掺铝(Al_B@BN)的等价替位阳离子杂质均与H+之间存在强束缚;基于电荷转移思路,进一步证明了在硫化锌(ZnS)中Ca替代Zn和O替代S的双等价替位杂质有强中性束缚效应。这表明离子半导体缺陷的中性束缚具有普遍性。GeSbTe电子结构的第一性原理研究:通过研究亚稳晶相(岩盐矿)及非晶相(Kolobov模型)的电子结构,发现1)两相本质上保持了p电子轨道的成键特性,对于非晶相没有出现sp3杂化成键; 2)两相光学性质差异源自于在价带顶(VBM)附近电子态密度的差别。3)Ge原子亚稳晶相在VBM附近s反键态显著,而非晶相则明显减弱。GeSbTe固态非晶化:通过第一性分子动力学,我们首次证实GeSbTe存在一种在电子激发下不经过融化而直接固态非晶化的相变过程,在相变过程中空位相连的Te框架的塌缩以及Ge原子显著的键角变化是诱导相变的关键,这些在相变过程中呈现的变化规律源于GeSbTe材料独特的电子结构。