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二十世纪以来，全球环境严重恶化，自然资源日益枯竭，有效地控制和治理环境污染以及开发新能源就成为实现可持续发展战略的关键。
二氧化钛（TiO2）是一种新型半导体材料和光催化材料，无毒、化学性质稳定、成本低、氧化性强，是理想的光催化剂。不仅可以用来净化环境，还是目前备受关注的太阳能电池材料。然而，TiO2的带隙较宽（3.2eV），只能被仅占太阳辐射光中5％左右的紫外线所激发，太阳能的利用率很低。通过掺杂，对TiO2的带隙进行调节，从而使得TiO2的吸收光谱红移，实现其可见光响应，一直以来都是人们努力的目标。为此，对TiO2进行掺杂改性的研究就成为研究者们关注的焦点。
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，使用VASP计算程序，在广义梯度（GGA）近似下，研究了N，V，Cr，Cu，Co，Ni对TiO2的掺杂效果以及氧空位对过渡金属元素掺杂锐钛矿TiO2电子结构和导电性能的影响。结论如下：
1.本征锐钛矿相TiO2为宽带隙半导体材料。对能带图和态密度图进行分析可知TiO2的价带主要是由Ti3d态上的电子和O2p态上的电子组成，同时还可以看出O原子p态电子与Ti原子p、d态电子对费米能级附近的能带的贡献较大。
2.掺杂后的TiO2带隙中形成了杂质能级。在N原子替代O原子掺杂锐钛矿相TiO2晶体电子结构的研究中，我们发现在靠近价带上部边沿的带隙中形成了半填充的杂质能级，这是由于N原子中的2p轨道与价带中的O原子2p轨道杂化作用所形成的，因此电子可以在杂化轨道和价带间进行跃迁，同时费米能级向高能级方向移动，从而减小TiO2的有效禁带宽度。在对过渡金属元素（V，Cr，Cu，Co，Ni）取代Ti原子掺杂锐钛矿相TiO2晶体的电子结构进行的研究中发现，与纯TiO2相比掺杂后体系的导带和价带的位置均有不同程度的向低能方向移动，这将使掺杂后的TiO2具有更强的氧化还原能力；掺杂能级主要是掺杂过渡金属离子3d轨道的贡献。
3.氧空位可以提高过渡金属元素（V，Cr）掺杂后的TiO2的导电性能。
二氧化钛（TiO2）是一种新型半导体材料和光催化材料，无毒、化学性质稳定、成本低、氧化性强，是理想的光催化剂。不仅可以用来净化环境，还是目前备受关注的太阳能电池材料。然而，TiO2的带隙较宽（3.2eV），只能被仅占太阳辐射光中5％左右的紫外线所激发，太阳能的利用率很低。通过掺杂，对TiO2的带隙进行调节，从而使得TiO2的吸收光谱红移，实现其可见光响应，一直以来都是人们努力的目标。为此，对TiO2进行掺杂改性的研究就成为研究者们关注的焦点。
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，使用VASP计算程序，在广义梯度（GGA）近似下，研究了N，V，Cr，Cu，Co，Ni对TiO2的掺杂效果以及氧空位对过渡金属元素掺杂锐钛矿TiO2电子结构和导电性能的影响。结论如下：
1.本征锐钛矿相TiO2为宽带隙半导体材料。对能带图和态密度图进行分析可知TiO2的价带主要是由Ti3d态上的电子和O2p态上的电子组成，同时还可以看出O原子p态电子与Ti原子p、d态电子对费米能级附近的能带的贡献较大。
2.掺杂后的TiO2带隙中形成了杂质能级。在N原子替代O原子掺杂锐钛矿相TiO2晶体电子结构的研究中，我们发现在靠近价带上部边沿的带隙中形成了半填充的杂质能级，这是由于N原子中的2p轨道与价带中的O原子2p轨道杂化作用所形成的，因此电子可以在杂化轨道和价带间进行跃迁，同时费米能级向高能级方向移动，从而减小TiO2的有效禁带宽度。在对过渡金属元素（V，Cr，Cu，Co，Ni）取代Ti原子掺杂锐钛矿相TiO2晶体的电子结构进行的研究中发现，与纯TiO2相比掺杂后体系的导带和价带的位置均有不同程度的向低能方向移动，这将使掺杂后的TiO2具有更强的氧化还原能力；掺杂能级主要是掺杂过渡金属离子3d轨道的贡献。
3.氧空位可以提高过渡金属元素（V，Cr）掺杂后的TiO2的导电性能。