随着日益增长的高密度存储、新型电子学器件以及量子计算等方面的需求,性能远优于常规的半导体器件的自旋电子器件,引起了越来越多的关注和研究。基于有机磁性分子的分子自旋电子器件具有长自相干时间、-高稳定性、高效率、小尺寸等优点,具有广泛的应用前景。如何有效地调控有机分子的磁性是分子自旋电子学的关键问题之一。另一方面,如何提高磁电极材料表面电子的自旋极化率也是自旋电子器件设计成功的关键条件之一。本论文的工作就是基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,针对以上两方面开展的。论文研究了原子和分子吸附对有机金属酞菁分子MnPc和作为磁极材料的Fe3O4(100)表面的几何结构、电子结构和磁结构等的影响,分析了 MnPc分子和Fe3O4(100)表面磁性变化的原因,揭示了相应的微观机理,提出一种适用于各种不同环境的、可对MnPc分子自旋进行可逆调控的手段,通过分子吸附的表面改造在Fe304(100)表面得到了高自旋极化率。全文的主要研究内容如下:第一章对自旋电子学的发展进行了回顾和综述。阐述了有机磁性分子和具有半金属性质的Fe3O4材料在自旋电子器件中的应用价值,综述了近年来对有机金属酞菁和卟啉分子的研究成果,回顾了关于表面改造对Fe3O4薄膜的几何结构、电子结构、磁结构的影响的实验和理论方面的最新进展。在此基础上,提出了本论文的研究目的、研究内容和研究意义。第二章是对第一性原理计算的简单介绍。主要包括密度泛函理论的建立,交换关联泛函以及处理范德华力、电子关联作用等问题所引入DFT+X方法等。本章最后还对第一性原理计算中经常用到的软件进行了简单介绍。第三章中使用五种不同泛函研究了 NO分子在锰酞菁分子上的吸附。之前有文献报道NO分子的吸附可以淬灭MnPc分子的磁性。在使用广义梯度泛函(GGA)计算时得到了与文献一致的结论,然而进一步通过GGA+U以及三种杂化泛函的对比计算与验证,发现GGA计算不仅仅造成了体系能隙的低估和吸附构型上Mn-N键长的减小,更带来了分子轨道的占据和轨道能级次序的错排,由此引起了 NO吸附诱导MnPc磁矩淬灭的错误预测。该研究纠正了文献上的错误结论,进一步强调和肯定了电子关联效应在酞菁分子体系中起着不可忽略的重要作用。第四章中研究了三种典型环境下,即自由的单个MnPc分子、层间有弱耦合作用的三层堆积的MnPc膜以及与铁磁衬底Fe(100)有强相互作用的MnPc中分子磁性的调控。发现在以上三种情况下N原子的吸附都将MnPc分子中的Mn原子显著地拉离酞菁平面,N-Mn原子间强烈的杂化作用导致了 MnPc分子中能隙的打开和磁矩的淬灭,并且这种淬灭与计算中使用的泛函无关。进一步通过态密度、差分电荷密度等的分析,揭示了 MnPc分子磁矩的淬灭是由于电荷从Mn原子到N原子的转移和不同幻旋构型间电子的重新排布这两个微观机理共同作用的结果。本章的研究提出了一种适合于各种环境、与衬底无关的对有机MnPc分子的自旋态进行可逆控制的有效方法。第五章中研究了 NO分子修饰对磁电极材料Fe304(100)表面能带和电子自旋极化的影响。发现NO分子通过N原子端倾斜地吸附于表面Fe(B)原子上。NO分子的吸附一方面导致了自旋向上的表面态能带稍稍向深能级移动;另一方面,部分自旋向下的电子被填充到了 NO分子的2π*轨道上,导致了费米能级附近O原子的电子态密度和磁矩的增加。Fe3O4表面的自旋极化率因NO分子的吸附得以大大增加。本章的研究为以Fe3O4材料为基础的自旋电子器件提供了一种有效的增强表面电子自旋极化率的方法,有利于自旋极化注入效率的提高。第六章对全文进行了总结。本论文的创新点主要包括三个方面:(1)通过五种泛函的对比计算与分析,纠正了文献上关于NO分子诱导MnPc磁性淬灭的错误结论,进一步强调和肯定了电子关联效应在酞菁分子体系中起着不可忽略的重要作用。(2)通过N原子对三种典型环境(近自由态、弱耦合衬底、强耦合衬底)下的MnPc分子吸附性能的计算及微观机理的分析,提出了一种适合于各种环境、与衬底无关的、可逆调控MnPc分子自旋态的有效方法。(3)通过NO分子对磁电极材料Fe304(100)表面几何结构、能带结构、磁结构及相应微观机理的分析研究,提出了一种实验上易于实现的、有效的增强Fe304(100)表面电子自旋极化率的方法。