本论文利用密度泛函理论研究了冰在高压下的物理化学性质。近年来相关理论和数值算法的飞速发展,使得基于密度泛函理论的第一性原理方法成为凝聚态物理、量子化学和材料科学中的常规研究手段。本论文对冰在很大的压强范围内进行了较系统的第一性原理研究,包括几何构型、电子结构、光学性质和晶格振动等方面。第一章中我们先介绍了冰和水的基本结构和相应的物理化学性质,特别地对其独特的性质和作用作了阐述;接着对目前已经得到的冰的各个高压相的结构和特征作了简要的综述,同时对近年来冰和水的研究现状作了回顾和思考;最后一节我们探讨了冰的高压研究的迫切需要和研究意义,并引出了本论文的研究对象和研究思路,同时还给出了本文的主要内容安排。第二章中我们先概要地介绍基于密度泛函理论的第一性原理计算中的一些重要概念和处理方法,包括密度泛函理论的基本框架、交换关联相互作用的近似处理、平面波展开和赝势方法,以及处理周期性体系电子结构中的k点取样、计算物性前的收敛性检验和有限基修正;由于本工作主要涉及高压环境,同时还介绍了压强的理论模拟和计算(维里定理);然后详细讨论了本工作计算光学性质的理论基础,介电响应理论;最后给出了本论文最终采用的计算方法和参数设置。第三章中我们系统地研究了现今实验上已发现的最高压强相(362GPa)--冰X相的晶体结构、密度、键长、总能、焓、费米能、能带结构、能带带隙、G点声子振动频率等的压强依赖关系内容提要冰在高压下的相变及电子和光学性质研究(55GPa~380GPa),并对X相的稳定性做出了评估,预计了可能发生的相变压强。第四章中我们重新考察了M. Benoit等人1996年就已预言而实验上还未证实的超高压下的冰XIII~M相,获得了一个具有独特成键结构的新相—冰XV相,接着详细探讨了冰的高压相X相、XIIIM相、XV相的成键结构和原子的电荷转移情况,并与常压低温下的准六角密堆结构冰XI相做了计算比较,进而讨论了在300GPa以上冰从X相到XV相转变的可能的相变机制。第五章中我们详细探讨了冰在超高压下电子结构的各方面变化:从最直观的实空间中电荷密度分布变化,到高压相冰X和XV与常压低温相冰XI的能带结构的比较分析,再到超高压下冰的电子态密度(DOS)和各原子分立态密度(Partial DOS)色散曲线的变化,进而细致探讨了冰金属化的可能,最后从电子态密度的积分分析了冰在高压下的轨道杂化情况和各原子电荷转移的变化。第六章中,我们详细研究了超高压引起的冰的各种光学性质的变化。我们先从理论上给出各类光学性质之间应有的数学关系和本文中的一些处理方法,接着全面计算分析了冰的介电函数实部和虚部、吸收系数、反射率、能量损失谱、光电导率和折射率在超高压下的变化,最后还讨论了高压下冰的光学各向异性。