伴随着工业生产产生的硫化物、氮氧化物和卤化物不仅污染环境,同时也会伤害人体的呼吸系统。因此检测空气中各种有害气体成分以及它们的浓度尤为重要。尽管半导体气敏传感材料由于其稳定的性能和低廉造价和可重复性好等优点而被人们广泛应用于气体探测等领域,但不同的材料对同种气体往往具有不同的灵敏度,并且材料在经过改性后也会有不同的传感性能。TiO₂、SnO₂、GeO₂都是具有较好气敏性能的金属氧化物气敏传感材料,并且有相同的金红石相结构。传统气敏传感原理可概括为当半导体表面与气体分子发生氧化还原反应时,由于电荷发生转移,使得材料表面的电荷分布发生变化,进而改变了材料的电学性质,通过探测电学性质的变化来得知探测气体的种类和浓度。而光学气敏传感是通过表面氧空位和环境气体分子发生氧化还原反应引起光学性质的变化来体现传感特性的,所以对于表面氧空位吸附特性的研究是核心。因此为了找到对有害气体HCl具有高分辨率、高灵敏度的半导体光学气敏传感材料,本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对金红石相TiO₂、SnO₂、GeO₂进行了如下研究:分别计算了未掺杂、Cu掺杂、Cr掺杂和Cu-Cr共掺杂情况下含氧空位金红石相TiO₂、SnO₂、GeO₂（110）面吸附HCl气体后材料表面的氧空位氧化性能、电荷布居分布、态密度和光学性质。结果表明:1、表面氧空位的氧化还原特性通过比较三种体系的吸附距离和吸附能发现,四种情况下TiO₂体系的吸附距离都最大且吸附能最小,说明TiO₂体系是最不稳定的。在未掺杂、Cu掺杂和Cu-Cr共掺杂时GeO₂体系的吸附距离最小且吸附能最大,说明此时的GeO₂体系最稳定。而Cr掺杂时SnO₂体系的吸附距离最小且吸附能最大,此时SnO₂体系最稳定。从HCl分子电荷转移情况来看,在未掺杂、Cu掺杂、Cr掺杂情况下TiO₂体系中的HCl分子失去电荷数分别0.02e、0、0.02e,表面氧空位得到的电荷数均多于其他两个体系,此时表面氧空位氧化性大小关系是:TiO₂>SnO₂>GeO₂。在Cu-Cr共掺杂情况下,HCl分子吸附于GeO₂表面时,氧空位得到电荷数最多（0.04e）,此时表面氧空位氧化性的关系是:GeO₂>SnO₂>TiO₂。2、电子性质从电子态密度分析,在未掺杂和Cr掺杂时,SnO₂体系的禁带宽度最小,更有利于电子的跃迁,并且掺杂Cr元素后,由于Cr 3d轨道的影响,SnO₂的禁带宽度相对于未掺杂时更小,约为1.2e V。在Cu掺杂和Cu-Cr共掺杂时,由于Cu 4s轨道的影响使得SnO₂和GeO₂的半导体性质开始向金属性质转变,且Cu-Cr共掺杂时这种金属性表现的更明显,所以不利于对HCl气体的探测。而此时TiO₂保持了良好的半导体性能,并且价带下移跨过费米面,更有利于价带电子的跃迁。3、光学性质四种情况下SnO₂都表现出了优于其他体系的光学性质。未掺杂时,对350nm～450nm波段的光吸收系数大于10000cm^-1;Cu掺杂时,光吸收系数随波长的减小而增大,在500nm附近吸收系数达到14000cm^-1;在Cr掺杂时,吸收峰值在600nm达到45000cm^-1;Cu-Cr共掺杂时,SnO₂体系对500nm～700nm的光吸收系数峰值达到36000cm^-1。因此在Cr掺杂后,SnO₂对光的吸收效果最好。综合来看,由于Cu 4s轨道和Cr 3d轨道的影响,TiO₂和SnO₂表面的氧化特性更强。同时,SnO₂在Cr掺杂时对光的吸收峰值达到45000cm^-1,表现出很好的光学传感特性,这是因为Cr 3d轨道形成的态密度峰的影响使SnO₂的价带延伸至费米面附近,减小了禁带宽度,减小了价带电子的跃迁能。所以SnO₂是一种可进一步定量研究同时具有一定应用前景的气敏材料,这也为进一步研究HCl气体的气敏材料的制备和改性提供了一定的参考。