二氧化钛（TiO₂）,相比其他过渡金属氧化物,具有化学性能稳定、安全无毒和使用寿命长等优点,因此得到学术界和工业界广泛的关注。考虑到TiO₂在阻变器件和光催化中的应用,O空位、间隙离子或替代离子等缺陷势必影响着TiO₂的物理和化学性能。为了进一步量化此类影响,本工作借助以密度泛函理论为基础的第一性原理,构造四类缺陷结构模型,对缺陷TiO₂的导电通道形成机制与光催化中光吸收系数性能修饰进行了系统的理论计算研究。本文的主要研究工作和已取得的研究成果包括:1.分析电场对于含孤立O空位、含（110）面和[110]方向O空位以及含Ti列同侧和异侧O空位的缺陷TiO₂结构模型的影响。发现含O空位的缺陷TiO₂结构中临近O空位的Ti-O键共价性在电场作用下增强,而且电场引起含（110）面O空位的缺陷TiO₂结构和含Ti列同侧O空位的缺陷TiO₂结构存在较多的Ti-O键断裂,同时得出缺陷TiO₂结构本身的静态介电常数和CV曲线分布情况由O空位分布决定。2.阐明O空位组合形成导电通道的微观物理机制。分析含O空位或O空位对缺陷在有限晶格空间中的不同组合结构模型、含单列或双列O空位链的结构模型以及含单列递增和双列递增O空位对的结构模型以及在其中掺杂金属离子的结构模型,得到他们的结构与导电通道形成的关系。我们在含双列O空位链的结构模型中观察到导电通道的形成,将这种现象归结为双列O空位链间出现具有金属性的Ti-Ti键,同时得到O空位对双列递增的TiO₂/TiO₂-x结构模型的可靠性强于含O空位对倒置双列递增TiO₂-x/TiO₂结构模型,而且在这两种结构的界面处,将Zr替代Ti离子能够有效地提高导电通道的可靠性,此方法为导电通道性能改善提供了一个新的理论基础。3.探究含O间隙离子和O空位的缺陷TiO₂结构的导电通道形成机制。首先构造含5个O间隙离子的结构模型,将其中一个O离子替代为一个O空位,比较这两种结构导电通道的物理导电机制。然后分析含5个O间隙离子的结构模型的导电通道特征与电场的关系。我们在含5个O间隙离子的缺陷TiO₂结构模型中观察到集聚O离子对伴随着O-O键形成导电通道,将其导电机制归属于欧姆导电,而将其中一个O空位替代O离子后,发现空间电荷限制电流起主要作用。同时还发现2.6 MV/cm的电场弛豫后的结构在0.5 V电压下具有低电阻,相比之下,1.3 MV/cm电场弛豫后的结构在0.36 V时有较高电阻。这些现象有力地拓展了基于化学价变化的阻变机制。4.揭示金属间隙离子掺杂以及掺杂方位对TiO₂输运系数和光吸收系数的影响。首先得出掺杂Zr、Ti间隙离子在Ti列促进Ti4+离子的还原,他们的结构对应较高的输运系数。然后在晶格空间中掺杂Ti间隙离子,发现此缺陷TiO₂结构在[100]、[010]、[110]、[-110]和[001]极性方向上存在较强可见光吸收率,而在Ti列掺杂Cu间隙离子的缺陷TiO₂结构,它的可见光吸收率只有在[001]极性方向上得到增强。所以晶格Ti3+离子和Cu间隙离子能够在[001]方向上形成有效的光路从而促进缺陷TiO₂对可见光的吸收。这些特征对于利用金属间隙离子掺杂改善TiO₂可见光吸收率的方法提供了晶向定位掺杂的理论依据。5.阐明Cu或CuO与TiO₂组合结构与可见光吸收率的关系。首先分析含Ti列同侧或异侧Cu替代离子的结构模型,发现Cu替代离子在Ti列异侧的掺杂有效地提高了TiO₂结构对可见光的吸收率,而且此结构经过高电场弛豫后具有较高的可见光吸收率。然后提出CuO/TiO₂表面结构模型,得出CuO/TiO₂表面结构经过[010]方向电场弛豫后在界面处观察到较多Cu-O键,从而提高[001]方向的可见光吸收率;也就验证了电场使CuO/TiO₂表面结构中CuO还原为Cu2O,从而降低CuO/TiO₂表面结构可见光吸收率;此为解释CuO/TiO₂表面结构的较强可见光吸收率的现象提供了有力的理论依据。最后提出TiO₂/Cu/TiO₂复合层结构模型,发现在TiO₂/Cu/TiO₂复合层中Cu层经过结构弛豫后重构,提高了结构对可见光的吸收率。这些特征为TiO₂层中嵌入金属层薄膜提高可见光吸收率的方法提供了可靠的理论依据。研究结论认为,呼应针对TiO₂导电机制等热点难题的深刻理解,遵循主流研究范式,特别构造了可能的有主要影响的缺陷作为自变量集合,通过计算得到主要表征参数的可解释的结果体系,此举将为深入开展新器件实验提供有力的佐证。