自旋电子学是一门最新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科,它同时利用电子的电荷和自旋来进行信息的存储和处理。自旋电子器件与普通半导体电子器件相比具有非易失性、低功耗和高集成度等优点。现有的自旋电子学理论丁作大多集中于选择不同的磁性元素掺杂进不同的半导体受体。工作重点在于磁性元素的不同但鲜有对非磁性或稀土元素掺杂半导体的研究,尤其缺乏关注掺杂受体本身因受到外界物理环境的变化而对磁性以及电子结构所造成的影响。本文拟基于第一性原理的密度泛函理论研究稀土元素以及非磁性元素掺杂半导体,并通过模拟实验环境,探讨了对掺杂过程中半导体本身受到的压力或应力对磁学性质和电学性质的影响。第二章我们首先介绍了密度泛函理论的发展过程及其理论框架。量子力学创立之初只能计算最简单的氢原子,几年之后E.A. Hylleraas和D.R. Hartree才分别利用变分方法和自洽场方程来计算出了氦原子的基态；随后V. Fock改良了D. R. Hartree的自洽场方法提出了著名的哈特利-福克方法,这种方法是很多现代电子结构计算方法的原型：20世纪60年代密度泛函理论创立,由于其计算精度较高并且计算量适中已经成为计算化学、材料模拟领域中最重要的理论方法之一第三章我们基于密度泛函理论系统地研究了稀土元素Yb掺杂闪锌矿和氯化钠结构SiC晶体的电子结构和磁性性质。我们比较了两种结构晶体,发现闪锌矿结构Si3YbC4具有完全的半金属性而氯化钠结构Si3YbC4为非磁性。接着我们研究了掺杂中压强对磁性的影响发现Si3YbC4具有两个磁相变点。由于Yb具有局域的4f电子,我们分析了Yb-4f轨道的交换关联势U对ZB结构Si3YbC4(?)能带的影响。接着我们对局域的Yb-4f电子和轨道引起的重费米系统也进行了研究,在GGA和GGA+U算法下分别得到JSi3YbC4(?)的声子比热容γ值。最后从能带图对Si3YbC4(?)内部的双交换机制进行了深入探讨,证明了在Si3YbC4的铁磁性中空穴起了主要的作用。在第四章中找我们基于密度泛函理论,用轴向应力的方法模拟分子束外延的合成环境.对非磁性的碱土金属元素Mg,Ca,Sr,Ba掺杂SiC,GaN半导体的电学性质,磁学性质和结构稳定悱进行了研究。我们发现4种掺杂的半导体具有半金属的性质。从半导体基底所受应力的方向入手,研究了碱土金属掺杂SiC,GaN应变各向同性和各向异性对半金属性质的影响。接着我们研究了半导体掺杂中应变导致的磁性相变。最后我们从能带结构上对于Ca-和Sr-掺杂GaN半导体的半金属性进仔了细致的理论分析。本章全面研究碱土金属元素掺杂SiC和GaN薄膜,这对发展相关半金属材料很有帮助。第五章我们对现有的工作进行了一个总结,对以后的工作进行了展望。