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半导体型锐钛矿相(anatase)二氧化钛(TiO2)是目前光催化领域中运用最为广泛和效率较高的过渡金属氧化物催化剂。在本论文中,结合扫描隧道显微镜(STM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外光电子能谱(UPS)等分析工具,研究了anatase相TiO2(001)薄膜的表面重构和表面点缺陷的种类、性质；同时,研究了Cr掺杂、CrN共掺杂的样品中掺杂对能带的影响。第一章中介绍了扫描隧道显微学、光电子能谱(PES)技术和脉冲激光沉积(PLD)技术,还介绍了实验中所使用的PLD制膜设备、进行表面研究的STM设备以及进行元素分析和能带检测的光电子能谱设备。第二章介绍了TiO2材料的催化特性及制备和研究表面平整的anatase相TiO2单晶样品的重要性,给出了PLD法制备表面原子级平整的anatase相TiO2(001)-1×4单晶薄膜的步骤,包括基底的处理、衬底温度、氧压和沉积速率的选择和优化等,获得了高质量样品的优化条件。第三章给出anatase相TiO2(001)-1×4单晶薄膜表面的重构结构和点缺陷实验结果。利用分子H2O、O2、CO2和CO探测了表面的吸附活性位。实验结果表明TiO2(001)-1×4单晶薄膜对这些分子的吸附性质与传统的认识不同。室温下,完全氧化的TiO2(001)-1×4表面对这些分子的吸附能力极弱,没有呈现出明显的反应活性。经过部分还原的TiO2(001)-1×4表面,存在Ti富集的缺陷位,仅这些缺陷位表现出明显的吸附特征。根据观察到的实验现象,结合理论计算,我们提出了一种新的重构模型,并对观察到的STM探针诱导的点缺陷结构和吸附行为给出了定性的解释。第四章首先介绍了掺杂对TiO2进行改性以提高其可将光催化活性的研究进展。然后制备了Cr,N共掺杂anatase相TiO2(001)单晶薄膜,通过UPS和光吸收谱研究了掺杂对薄膜能带的调制作用,发现共掺杂极大提高了薄膜对可见光的响应。最后通过Cr掺杂,制备了rutile相TiO2(110)单晶薄膜,用甲醇分子检测掺杂样品的可见光催化活性,澄清了关于Cr掺杂是否提高催化活性的争论。