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SrTiO3是一种钙钛矿型宽禁带氧化物,室温下禁带宽度3.2eV,对可见光透明。适当掺杂后,SrTiO3可变为良好的半导体和导体,应用于宽禁带透明半导体和透明导电领域,如透明薄膜晶体管(transparent thin film transistor, TTFT)、太阳能电池、有机电致发光器件等。特别是利用n型SrTiO3作为TTFT的有源沟道层,本征多晶SrTiO3充当栅绝缘层,制备出的透明全钙钛矿结构TTFT,其电学性能优于传统的非晶硅TFT,这在很大程度上拓宽了TTFT的应用领域。而层状钙钛矿结构氧化物Sr2TiO4具有和SrTiO3类似的电子结构,是一种潜在的宽禁带透明导电氧化物材料。目前,研究者已对SrTiO3的半导化掺杂做了大量的研究工作,并取得了一定的进展,但对其电子结构的了解还很匮乏。对层状钙钛矿型透明导电氧化物Sr2TiO4的半导化掺杂工作尚处于起步阶段,急需理论指导。同时,随着微电子器件尺寸持续减小和比表面积增加,半导体材料表面性质对器件性能的影响越来越突出。CO分子吸附在SrTiO3表面,将极大影响SrTiO3表面的电学性质。然而目前这方面的实验信息非常少,相关理论方面的报道也很少。基于此,本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,首先,选择Nb、Sb、La作为施主元素,In、Sc作为受主元素,研究了半导化掺杂对SrTiO3及Sr2TiO4的电学、光学性质及稳定性的影响,为实验上制备光电性能优良的、可用于TTFT的钙钛矿型透明导电薄膜提供理论依据；其次,在构型计算的基础上,研究了CO分子与SrTiO3(100)表面的作用机制,分析讨论了CO吸附SrTiO3(100)表面行为对材料结构和电导率的影响。主要的研究内容及研究结果如下：1、选择Nb、Sb、La作为施主元素,研究了n型半导化掺杂对SrTiO3的电学、光学性质及稳定性的影响。计算结果表明：Nb、Sb、La n型掺杂SrTiO3体系的结构稳定。LaSr缺陷和NbTi缺陷在SrTiO3材料中的形成能小于SbTi缺陷的形成能；La、Nb的电离能亦小于Sb的电离能。因而,La和Nb是较好的n型SrTiO3施主掺杂元素。La3+离子和Nb5+离子在母体化合物SrTiO3中完全电离,费米能级进入导带,体系显示n型简并半导体特征。Sb掺杂后,SrTiO3:Sb体系的导带底发生畸变,有一小部分电子被杂质原子周围的Ti原子所束缚。掺杂后,SrTiO3:Nb和SrTiO3:La体系的可见光透过率均有明显的提高,且可见光透过率均高于90%。2、选择In、Sc作为受主元素,研究了p型半导化掺杂对SrTiO3的电学、光学性质及稳定性的影响。计算结果表明：In、Sc p型掺杂SrTiO3体系的结构稳定,掺杂仅引起杂质原子近邻区域的几何结构发生较小的变化。In在SrTiO3中的电离能为0.1336eV,小于Sc在SrTiO3中的电离能0.2088eV。但是,InTi缺陷的形成能远大于ScTi缺陷的形成能,InTi缺陷在SrTiO3中较难生成。即在相同的制备条件下,Sc比In更易于掺入到SrTi03材料的晶格中。掺杂后,SrTiO3：In和SrTiO3：Sc体系光学吸收边发生蓝移,掺杂体系的可见光透过率有了明显的提高,在350-625 nm波长范围透过率高于85%。3、研究了本征Sr2TiO4晶体的电子结构及光学性质。计算结果表明：在Sr2TiO4晶体中,SrO层的插入,使得SrTiO3层Ti原子在c轴方向的联系被阻断,Ti原子的相互作用被局限在ab平面内,沿c轴方向的Ti-O(2)键的强度弱于ab平面内Ti-O(1)键的强度。Sr2TiO4晶体的吸收带边强烈依赖于电磁场极化方向,其(001)极化方向的吸收带边远大于(100)、(010)方向。这表明在Sr2TiO4透明导电薄膜的制备过程中,沿(001)方向生长的Sr2TiO4材料具有较好的光学透明性。4、选择Nb、La作为施主元素,研究了n型掺杂对Sr2TiO4体系的电学、光学性质及稳定性的影响；分析讨论了本征氧空位缺陷对Sr1.9375La0.0625TiO396875几何结构及电学性质的影响。计算结果表明：Nb、Lan型掺杂Sr2TiO4体系的结构稳定。Sr2TiO4材料中LaSr缺陷的形成能小于NbTi缺陷的形成能；La在Sr2TiO4中的电离能为0.1078eV,小于Nb在Sr2TiO4中的电离能0.1345eV。因而,La是较好的n型Sr2TiO4施主掺杂元素。Nb、La掺杂在母体化合物Sr2TiO4中引入了大量由掺杂原子贡献的自由载流子—电子,费米能级进入导带,体系显示n型简并半导体特征。掺杂后,Sr2Nb0.125Ti0.875O4和Sr1.9375LaO.0625TiO4的光学吸收边发生蓝移,掺杂体系的光学透过率有了明显的提高。对Sr1.9375La0.0625TiO3.96875体系,Vo易于出现在ab平面的O(1)位置。引入Vo后,Sr1.9375La0.0625TiO3.96875体系导带底产生了一条杂质能级,该杂质能级局域性很强,电活性很差,因而对Sr1.9375La0.0625TiO3.96875体系电导率的贡献很小。5、选择In、Sc作为受主元素,研究了p型掺杂对Sr2TiO4体系的电学、光学性质及稳定性的影响。计算结果表明：In、Sc掺杂后,Sr2In0.125Ti0.875O4和Sr2Sc0.125Ti0.875O4体系显示p型简并半导体特征,掺杂体系的稳定性降低。Sr2TiO4材料中ScTi缺陷的形成能远小于InTi缺陷的形成能,Sc的电离能略大于In的电离能。因而,Sc是较好的p型Sr2TiO4受主掺杂元素。此外,Sr2In0.125Ti0.875O4和Sr2Sc0.125Ti0.875O4体系的吸收边变得平缓,光学吸收边发生红移,掺杂Sr2TiO4体系的可见光透过率显著降低。6、选择CO分子作为吸附质,研究了CO分子与SrTiO3(100)表面的作用机制,分析讨论了CO对SrTiO3(100)表面电学性质的影响。计算结果表明：CO以物理吸附的方式吸附到SrTiO3(100)表面。吸附时,CO易于以C端向下的方式垂直吸附在SrTiO3(100)表面,且SrTiO3(100)-TiO2终端表面的化学活性大于SrTiO3(100)-SrO终端表面。吸附前后SrTiO3(100)-TiO2终端表面的电学性质不变。在SrTiO3(100)-TiO2终端表面引入氧空位后,CO与SrTiO3(100)-TiO2终端表面的相互作用显著增强。SrTiO3(100)-TiO2缺陷表面的电子态密度分布发生显著变化,费米能级Ef附近产生了局域的表面态,费米能级Ef被钉扎在表面态中,从而增加了SrTiO3材料半导化掺杂的难度,使掺杂难以对SrTiO3材料的电导率产生明显的改善。