TiO₂由于其良好的化学稳定性,抗磨损性,低成本,无毒等特点而成为最具应用潜力的光催化剂。但是由于二氧化钛的禁带宽度的制约,二氧化钛对太阳光不能进行充分的利用。对TiO₂进行掺杂是一种较为有效可行的提高可见光利用率的方法。借助计算机模拟技术,研究了B,C,N,F,S,V,Fe,Ni对TiO₂掺杂效果。 本文同时介绍了在材料科学领域的计算机模拟技术,对其应用,发展进行了叙述。重点描述了第一性原理方法（First-principles Method）的基本原理,数学方法,应用范围,取得的成果等。对其中的电子密度泛函理论（Density Functional Theory,DPT）,局域密度近似（Local Density Approximation,LDA）,广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation,GGA）等几个重要概念进行了简单说明,并将实验中用到的CASTEP软件包进行了介绍。建立了超晶格的形式的掺杂TiO₂结构模型（锐钛矿相和金红石相）,应用第一性原理,交换.相关能采用广义梯度近似对掺杂TiO₂结构进行了结构优化,从而找到晶体结构的最稳定点。结果显示掺杂原子与被替换原子之间的属性差距和掺杂所在位置的对称性是造成晶格畸变的决定性因素。 对结构优化的掺杂模型,应用第一性原理,交换.相关能采用局域密度近似对掺杂TiO₂的能带结构,态密度和电子密度分布等进行了计算。通过实验获得了晶体中电子密度分布图,借助Kuroiwa的电子密度分布与成键类型关系的理论,分析了各掺杂原子与晶格的成键类型,只有F的掺杂形成了F-Ti的离子键,而其它原子的进入均形成共价键。 结合实验获得的能带结构和态密度等数据,分析了杂质能级位置与形态对TiO₂光吸收以及光催化效果的影响,认为当杂质能级位于价带顶与O 2p轨道复合或位于导带底,与Ti 3d轨道复合时,能有效减小直接禁带的宽度,从而使TiO₂吸收带向长波长方向移动,形成对可见光的吸收,同时由于没有中间能级的存在,因此不会造成淬灭中心,可以有效提高光催化性能。因此S阴离子和V的掺杂将会是较有前途的研究方向。