活体荧光成像是一种重要的非侵入性的疾病检测和治疗反应监测的成像技术,而波长处在1000-1350纳米的第二近红外窗口的荧光成像更是此类技术的研究焦点。过渡金属离子(如Mn⁵⁺)掺杂的磷灰石型材料可发射1000-1500纳米的近红外光,且这些材料本身具有良好的无毒和生物兼容性,目前已获得了医用材料学家的极大关注。沿着这样的应用需求,本硕士学位论文将聚焦过渡金属离子掺杂的磷灰石型材料,尝试从理论的角度理解这类材料的几何结构、弹性行为、电子结构和光学性质,以期对材料的实验研发有所帮助。具体说来,研究工作将主要分为基质探索和杂质光谱理解两部分:1)我们通过密度泛函理论计算了18种磷灰石型材料A₅（BO₄）₃Z（A=Ca,Sr,Ba;B=P,V;Z=F,Cl,Br）基质的物理性质对其成分的依赖关系;2)我们选取合适的基质分别掺入Cr³⁺和Mn⁵⁺,并结合交换电荷模型,分析这些过渡金属离子掺杂对基质结构和发光性能的影响。第一章和第二章我们对已经报道的理论和实验研究开展了调研,阐述了过渡金属离子(如Mn⁵⁺、Cr³⁺)掺杂的磷灰石型材料的研究意义,整个调研工作涵盖了新型绿色照明和活体荧光成像上的技术运用、过渡金属和稀土离子掺杂的磷灰石型材料实验研究和理论工作。我们聚焦在过渡金属离子掺杂的磷灰石型材料物理性质的研究。对于基质成分优化,我们采用密度泛函理论计算方法。对于过渡金属离子光谱学研究,我们采用了交换电荷模型。第三章和第四章我们详细研究了18种磷灰石型材料A₅（BO₄）₃Z（A=Ca,Sr,Ba;B=P,V;Z=F,Cl,Br）的结构、弹性和电子性质。通过对18种磷灰石化合物的高通量计算,我们获得了不同的物理参量。并总结了这些物理参量对基质成分的依赖关系:1)从几何结构上看:材料的晶格参数随原子序数的增加呈线性增长的趋势;2)从弹性性质上看:材料的弹性系数随原子序数的增加呈线性减小的趋势;3)从电子性质上看:材料的禁带宽度随原子序数的增加而逐渐减小。第五章我们选择Cr³⁺和Mn⁵⁺作为例子,研究了这两个离子掺杂的磷灰石型材料的几何结构、电子结构和光谱学性质,其中光谱学性质的研究借助了交换电荷模型的帮助。我们计算的Al₂O₃:Cr³⁺,Be₃Al₂（Si O₃）6:Cr³⁺和Sr₅（PO₄）₃Cl:Mn⁵⁺的电子能级结构图是分析这些掺杂材料光谱特性的重要指示。最后我们总结了本硕士学位论文的工作,并对下一步研究工作做了一定的展望,我们期盼当前的初步数据会对磷灰石型发光材料的研究起到抛砖引玉的作用。