在自旋电子学中,人们希望通过外部条件,如电场或者磁场,来调控材料中的载流子自旋方向从而设计逻辑器件。半金属和双极性磁性半导体是潜在实现该功能的材料,它们可以提供100%极化的自旋电流以及通过外部条件进行可逆的载流子自旋方向调控。近些年来,人们一直在寻找和设计该类具有高居里温度的自旋电子学材料。另一方面,传统的磁性材料通常由含d/f电子的金属构成,而近期人们发现非磁性元素,如C、N、O,也可以携带磁矩并用于设计磁性材料。本论文通过第一性原理计算,结合结构设计和结构搜索的方法,设计了三种新型磁性材料,包括新型p电子铁磁性三元半金属化合物、具有大自旋带隙和高居里温度的半金属材料以及通过电场可逆调控载流子自旋方向的二维双极性磁性半导体,并系统研究它们的性质。主要研究结果如下:1.分子氧和3d/4f金属类似,它在化合物里面能展现出长程的磁有序以及强关联性。然而在这类化合物中尚未发现长程铁磁性,且目前对长程铁磁序形成机理的认识仍然很有限。我们首先分析了AO2（A=K,Rb,Cs）中O2二聚体磁矩的相互作用规律,并提出通过调控化合物中层与层之间O2二聚体的排布方式来调控磁性,从而诱导长程铁磁序的学术思想。我们通过结构搜索确定了三元化合物α-Ba Na O4是具有铁磁性的半金属,其居里温度约为120 K。电荷分析显示,O2二聚体平均价态为-1.5,π*轨道部分占据,因此其磁矩来源于未配对的π*电子。其层与层之间的O2二聚体均朝着c轴且以头对头的方式排列。我们认为,正是这种独特的排列方式实现了层与层之间O2二聚体磁矩的直接交换作用,最终诱导出长程铁磁序。该工作加深了对O2分子诱导铁磁性机理的认识,为设计p电子诱导的铁磁性材料提供了新的思路。2.我们选择N2二聚体和3d过渡金属作为结构基元,设计了一系列的半金属材料MN4（M=Mn,Fe,Co）。通过第一性原理计算,我们发现它们有着较大的自旋带隙～5 e V以及较高的居里温度～103 K。我们提出由于M原子和N2二聚体在电负性上的差异,M（M=Mn,Fe,Co）原子的3d轨道发生了自掺杂现象。这个模型能较好的解释它们的磁矩大小和半金属性。而较大的自旋带隙来源于N2二聚体的π和π*轨道大的能级差。该研究不仅揭示了电负性和成键规律在设计具有大自旋带隙和高居里温度半金属中的重要性,同时也扩大了半金属材料的结构类型,为探索新型半金属材料提供了思路。3.双极性磁性半导体是一类价带顶和导带底具有不同的自旋方向的材料。我们可以通过门电压或者化学掺杂对其自旋方向进行调控,因此它满足自旋电子学中双向调控自旋电流的要求,是下一代自旋电子学器件中的理想材料。目前该类材料很有限,搜索和设计该类材料是比较困难的。通过第一性原理计算,我们预测单层Cr PS4和Cr PSe4是双极性铁磁性半导体,它们的居里温度分别是58 K和82 K。我们发现它们可以较为容易地从其A-type的反铁磁母体中剥离出来。通过门电压电场调控可以使Cr PS4和Cr PSe4变为半金属且电子掺杂和空穴掺杂的载流子极化方向不一样,这为可逆调控自旋电流方向提供了可能。进一步计算发现,Cr PSe4有着合适的电子亲合能和离子势,因此其电子和空穴掺杂都能较容易实现。对其电子结构进一步分析,我们发现自旋带隙和晶体场带隙对双极性磁性半导体的形成起着关键作用。我们还预测单层CrPTe4是潜在实现反常量子霍尔效应的材料。该工作也为搜索和设计新型双极性磁性半导体提供了思路。