氧化铝物理化学性能出色,广泛应用在各个工业领域。常见的氧化铝是非晶态氧化铝,在一定条件下会形成晶体结构,氧化铝晶体又会以很多种异构体存在,如α、κ、γ、θ、δ相等,其中α-Al₂O₃是唯一的稳定态,其他异构体则在一定温度条件下可以转变成α稳态。随着薄膜和制备单晶技术的发展,亚稳过渡态氧化铝以它们独特新颖的性能而拥有巨大的应用潜力。由于目前实验研究过渡态Al₂O₃还尚存有困难,所以有关的理论模拟研究显得尤为重要。本文在前人研究α、κ、γ、θ-Al₂O₃的晶体结构的基础上,选择基于第一性原理的计算方法,运用CASTEP总能量计算软件包,在周期性边界条件下的k空间中,对比研究了这四种异构体的晶体结构、电子能带结构和光学性能。针对氧化铝单晶在生长和应用过程中会受到诸如晶格失配、热失配等应力的影响,本文研究了在不同的静外压力作用下,四种氧化铝异构体的结构、电子能带结构和光线性能的相应变化。优化后的晶胞参数与实验值相差在1.5%以内,保证了在此基础上的模拟研究结果的可靠性。理论计算结果表明,相比较α-Al₂O₃中Al都处于密排O原子间的八面体空隙位置,过渡态氧化铝中则有部分Al处在四面体空隙位置,随着晶胞中Al_tet所占比例增加（α<κ<θ<γ）,平均单位Al₂O₃分子体积也随之增大,平均单位总能量的顺序是α<κ<θ<γ。计算得到α-Al₂O₃的体模量为254.5 GPa,与实验值254.4GPa十分吻合。根据电子结构布居分析,在过渡态异构体中Al_tet的布居电荷比Al_oct大,相应的Al_tet-O键长比Al_oct-O键长短,Al_tet与O之间作用更加强烈。α、κ、γ、θ-Al₂O₃都是宽禁带的离子晶体,禁带宽度分别为6.8,5.5,4.4,5.0 eV,α>κ>θ>γ,过渡态Al₂O₃中Al_tet与O的作用拉低了导带底边。γ相的价带最宽,这是由于γ-Al₂O₃晶体中有阳离子缺陷,缺陷附近存有未成键的O2p轨道,而该轨道主要贡献于价带顶部,所以抬升了价带顶边,同时这是γ相平均总能量最高的原因。α、κ、γ、θ-Al₂O₃复介电函数响应曲线十分相似,静介电常数分别为2.64,1.83,1.78,2.56。晶体光学性质的各向异性在z轴方向较为突出,而x和y轴响应比较接近。在三种过渡态中,θ-Al₂O₃的各向异性表现最为显著。随着外加应力增大,晶格常数缓慢减小,平均总能量增加,带隙增大,静介电常数减小,介电曲线逐渐向高能区域移动。在外加静压力的作用下,Al-O键长缩短,而布居转移电荷并没有改变,导致晶体的共价性略有增加。