中文摘要：

InGaN的直接带隙涵盖整个可见光范围,构成LED/LD最佳活性层,是太阳电池载流子注入区，铟原子分布直接决定该材料性质和器件性能。实验表明由于晶格失配,InGaN位错密度比传统发光材料(Al,In,Ga)(As,P)高6个数量级；由于自发和压电极化,InGaN量子阱诱导一个强压电场(MV/cm),导致显著电子-空穴空间分离,且呈现高内量子效率；InGaN纳米线表现出异常发光性质(克服高铟组分量子阱发光"死亡谷"现象，可发出各种波长可见光)。因此InGaN含有许多载流子发光中心，其微观结构(与铟原子分布密切相关)目前仍不清楚。本项目瞄准材料和器件的关键问题，突破准无序结构模型限制，基于第一原理计算，从微观上研究铟原子各种可能分布(均匀、短In-N链和小In-N团簇等)对InGaN量子阱/纳米线电子结构及发光性质的影响,给出载流子局域中心微结构图像，探索进一步改进相关光电器件性能的新途径。

结论摘要：

圆满完成了研究任务，且把相关工作推广到纳米管、量子点纳米线和石墨烯。主要开展了7方面的研究工作（1）InGaN形成均匀合金还是存在相分离研究。（2）In无序分布对InGaN合金/量子阱电子结构的影响。（3）In无序分布对InGaN合金光学性质的影响。（4）In表面无序性和悬挂键对InGaN纳米线电子结构和光学性质的影响。（5）InGaN纳米管的电子结构和光学性质。（6）InGaN/GaN应变量子点纳米线的受限激子态和光学性质。（7）石墨烯电子结构和磁学性质的研究。我们发现（1）对纤锌矿InGaN合金，相分离被抑制；对闪锌矿InGaN合金，相分离可以发生。（2）首次阐明了InGaN合金发光的微观机理，给出了局域发光中心的原子图像几个In-N原子形成的原子团簇或短链，它们高度局域价带顶电子，显著提高带边光跃迁，改进InGaN光学性质。（3）In原子更倾向于分布在InGaN纳米线的外表面，且短的In-N链很容易形成。对于不饱和InGaN纳米线，无规形成的表面In-N链可以高度局域带边的电子或空穴，主导带间光跃迁。对于饱和InGaN纳米线，带边态主要决定于内部的N和Ga原子。（4）对于GaN纳米管，Mg-O共掺可以减小它的带隙，价带顶局域在与Mg成键的N原子周围，Mg-O共掺可以显著改变GaN纳米管的光学性质，In掺杂能够有效调控GaN纳米管带隙，增加带边光吸收和态密度。（5）压力和应变以及内建电场和量子受限势对InGaN/GaN量子点纳米线的激子态和带间光跃迁有重要影响。（6）首次发现Klein边界可以诱导石墨烯纳米带的三个新特性Klein边界的局域边缘态有一个铁磁耦合；zigzag石墨烯纳米带边界的随机碳吸附原子能够破坏它附近的边缘态；石墨烯纳米带的复杂边界重构可以从Klein边界诱导出来。（7）具有D3-对称的4-原子空位缺陷能够引起石墨烯显著的结构畸变，明显改变其电子结构和磁性质。点阵弛豫局部地破坏了石墨烯点阵的双粒子对称，导致Lieb定理不再适用。通过氢饱和，点阵畸变将被抑制，Lieb定理和紧束缚近似仍然可以应用。这些研究成果对于改进InGaN合金以及相应的纳米线和纳米管的光学性质，提高其出光效率，对有效调控石墨烯电子结构和磁学性质有重要学术价值，对相应器件的研发具有重要理论指导意义。