随着计算机硬件和软件技术的发展以及计算理论的完善,计算机对材料结构和性质的模拟已经逐渐脱离对物化实验的依附,成为一门独立的交叉学科。本论文简单地介绍了计算材料学的发展和主要研究方法,包括第一性原理和分子动力学。基于这些计算方法,研究了若干材料的结构性质、力学性质、光学性质等。本论文主要包括以下几方面的内容:一、利用第一性原理研究了IVA-V和IVB-V族化合物的电子结构和光学性质。由于在各种领域的应用价值,IVA-V族化合物在过去几十年中一直受到广泛的关注。例如C₃N₄、Si₃N₄和Ge₃N₄以较高的体积模量和较大的禁带宽度著称,在高性能的工程材料中有很高的应用价值。近来C、Si、Ge、sn等Ⅳ族元素的磷化物也逐渐被合成,它们具有3:4的化学计量比,被证实具有赝立方的结构。IVB族的氮化物也是人们非常感兴趣的材料。拥有3:4化学配比的IVB族氮化物具有Th₃P₄结构。本论文采用第一性原理对具有稳定赝立方结构的Si₃P₄、Ge₃P₄、Sn₃P₄和立方结构的Ti₃N₄、Zr₃N₄、Hf₃N₄进行了计算,得到了它们的能带、态密度、体积模量、以及各种光学性质谱线。结果表明赝立方结构的A₃P₄（A为Si、Ge和Sn）是间接带隙的半导体,相比于他们的氮化物,磷化物具有较小的体积模量,并且没有很大的各向异性。而立方结构的M₃N₄（M为Ti、Zr和Hf）也是间接小带隙的半导体。对光学性质的研究得到A₃P₄的饱和有效电子数随着阳离子的原子序数的增加而减小而M₃N₄则恰好相反。两类材料都具有较大的静态介电常数,因此可望在未来的微电子行业中获得应用。二、理论和实验相结合研究了相变存储材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）的电子结构和光学性质。随着计算机多媒体技术的发展,对存贮介质的要求进一步提高,不仅读写速度要快,而且必须有大的存储密度和容量,而在其它光盘日趋达到存储极限的时候,相变光盘受到越来越多的关注,成为下一代存储技术首要的突破点。在众多的相变存储材料中,GST材料拥有很好的热稳定性、很高的晶化效率、以及具有很大数量的读写次数。工业上对GST的应用是利用它的非晶结构和立方亚稳态结构之间电学和光学性质的差别进行两态存储,从而达到读写数据的目的。本论文对具有非晶结构、立方亚稳态结构和六角密堆积结构的GST进行了理论和实验的研究。结果表明立方结构具有半导体的性质,而六角结构的GST更像金属或简并的半导体;立方结构和六角结构之间的反射率对比度虽然不及非晶结构和立方结构之间的差别那么明显,但是仍然有可能作为存储介质,这样就提出了GST在非晶、立方和六角结构三个状态之间实现“多态存储”的可能性。三、液态Al₆₀Cu₄₀合金的微观结构的实验和理论研究。非晶态的金属玻璃和液态的金属合金是材料科学中炙手可热的研究课题。不同于晶体,无定形和液态结构不具备长程有序性。近来的研究发现,无定形和液态结构的短程和中程有序性对这些玻璃和液态材料的性质起到了重要的作用。本文从实验和理论上研究了液态Al₆₀Cu₄₀合金的微观结构随液态温度的变化。结果表明利用第一性原理的理论方法建立的模型可以很好的描述实验测量的结果。在此基础上,通过多种分析方法研究了该液态体系中的微观结构随温度的演变过程。在研究的温度范围内系统发生了明显的结构变化,随着温度的降低,体系中的团簇种类的数目减小,有序度增加,类二十面体结构逐渐增加,因此类二十面体结构在液态Al₆₀Cu₄₀合金中起着非常重要作用。