本文采用Accelrys公司开发的Materials Studio 4.3版本中的CASTEP模块进行计算模拟工作。首先对纯锐钛矿型TiO₂和元素掺杂后的各种晶体模型,进行结构优化;然后计算并分析它们的电子结构、形成能、电荷密度、光学性质等。本文主要做了以下五个方面的掺杂研究工作:（1）我们计算了四种碳掺杂锐钛矿型TiO₂的晶体结构,包括C&O,C^2-&O,C&Ti和C⁴⁺&Ti。采用第一性原理的平面波超软赝势方法,分析了四种碳掺杂锐钛矿型TiO₂的晶胞构型、能带结构、态密度和光吸收谱图。我们旨在研究掺杂原子不同的氧化态、不同的掺杂形式对掺杂效果的影响。（2）对于3d过渡金属掺杂锐钛矿型TiO₂,即分别用一个过渡金属原子替换TiO₂晶格中的Ti位,我们得到了Sc-TiO₂、V-TiO₂、Cr-TiO₂、Mn-TiO₂、Fe-TiO₂、Co-TiO₂、Ni-TiO₂、Cu-TiO₂和Zn-TiO₂这9种金属元素掺杂模型。结果表明掺杂局域能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献,另外杂质能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否红移的重要因素。（3）4d过渡金属是指Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag和Cd这9种金属元素。我们计算并详细分析了它们的杂质形成能、能带结构和分态密度,按照杂质带的特性分为四类进行讨论。（4）我们采用第一性原理的平面波超软赝势方法,分析了纯锐钛矿TiO₂及17种稀土元素分别掺杂后TiO₂晶体模型的电子结构和光学性质,并计算了它们的形成能大小。根据掺杂后杂质能级位置,我们可将掺杂分为三类进行分析讨论。（5）对于铜族和锌族元素掺杂,禁带宽度降低的幅度都较大,光吸收都发生了红移,并且在可见光区的吸收系数也较大,有可能作为较为理想的可见光光催化剂。