石英是自然界中最常见、色彩最丰富的矿物之一,当含杂质元素Ti、Al、Fe、Mn等时会产生不同的颜色,这与晶格的结构位点或间隙位置掺入杂质离子有关。天然黄色石英、紫色石英和绿色石英含有铁、铝等杂质,由于杂质离子为三价,而Si离子为四价,就会出现晶体缺陷以保持电荷平衡。据推测它们的颜色可能是由Fe3+或Al3+取代Si4+后引起色心,实验加热后颜色消退是目前最为直接的证据。由于受到固体结构的影响石英无法通过热处理对内部可变价元素实现调控,所以色心的稳定情况、对应的吸收峰位、色心在致色过程中的作用在理论上都缺乏依据。通过离子注入的方式将特定的杂质元素注入石英晶体中,控制杂质元素在纯石英中的存在形式和价态,同时建立不同价态杂质元素的计算模型,结合计算结果进行理论分析可能是唯一能够确定黄色石英或其他颜色晶体致色机理的方法。本文采用第一性原理的方法来计算不同价态Fe离子掺杂α-SiO2的电子结构和光学吸收,同时选用高纯度合成石英,通过离子注入的方法引入Fe离子对表层注入元素实现价态调控进而分析元素价态对致色机理的影响。实验与计算结果表明:1.利用Vasp软件计算SiO2单晶材料和不同缺陷的不同价态Fe离子掺杂SiO2材料的电子结构和光学吸收。计算表明α-SiO2材料的能带间隙约为5.98 e V;不同价态Fe离子掺杂后均会引起SiO2材料的能带结构出现明显的变化,在价带与导带之间出现新的杂质能级,能带间隙变窄使得电子跃迁变得容易,对SiO2单晶材料的光学性质产生影响。2.通过离子注入的方式将Fe离子注入到高纯度合成无色石英中,在不同的热处理气氛下进行退火,其中还原气氛下石英晶体不会出现颜色,氧化气氛下热处理颜色变化有三个阶段:400℃以下的灰色阶段,400～1200℃之间的黄色阶段,温度超过1200℃出现淡粉色。说明Fe离子注入石英晶体中Fe价态的变化是其致色的根本。结合计算吸收峰在410 nm（±10 nm）,证明了黄色石英的颜色机理为O2-+Fe3+（?）O-+Fe2+之间的电荷转移。高Fe含量的石英晶体中存在Fe3+和O2-间的电子转移,对应的吸收峰为567 nm,因此1200℃呈现出浅粉色。3.通过与天然黄色石英晶体进行对比,采用X射线光电子能谱仪、紫外–可见光谱仪、X射线衍射仪和电子顺磁共振光谱仪等来分析天然热处理黄水晶的光吸收、吸收峰位置、晶胞结构、Fe的价态变化和O的类型。研究表明天然黄色石英晶体550℃热处理后会褪色,是色心被破坏所致。黄色石英的致色主要与氧空位有关,颜色机理为O2-+Fe3+（?）O-+Fe2+,对应吸收峰为423 nm（±10 nm）。4.天然紫色石英热处理后会先褪色,继续加热500℃会出现浅黄色。采用紫外-可见光谱仪、X射线光电子能谱仪、电子顺磁共振光谱仪等仪器表征光吸收、Fe的价态变化,同时结合计算结果发现紫水晶的颜色主要与Fe的价态变化和Fe4+的存在有关,对应的吸收峰为545 nm,而黄色与Fe-3d和O-2p之间的电荷转移有关,二者与氧空位无关。