随着计算机硬件、软件技术的高速发展以及计算理论的日益完善,对材料结构及其理化性质进行计算模拟已逐渐脱离对物化实验的依附,成为一门独立的交叉学科。本论文简单介绍了计算材料学的发展和基于密度泛函理论的第一性原理材料计算方法的理论基础;并采用这种理论计算方法研究了几种新型材料的结构性质、电子结构和光学性质,以及材料中掺杂改性的机理。本论文主要包括以下几方面内容:一、利用第一性原理研究了赝立方结构IVA族砷化物的电子结构和光学性质。IVA-V族化合物在各个领域具有应用价值,因此长期以来一直受到广泛关注。例如C₃N₄是一种超硬材料,实际应用在磨擦磨损领域;Si₃N₄具高电阻率,耐高温,机械性能好等优良特性。迄今为止,人们拓展了IVA-V族化合物的研究领域,相继有文献报道了关于IVA族磷化物的电子结构、以及光学性质的研究成果。近来,Hu等人进一步报道了新型IVA族砷化物的理论研究工作;其结果表明具有3:4化学计量比的IVA族砷化物可以赝立方结构稳定存在。在此基础上,本论文进一步计算了赝立方结构X₃As₄（X=Si,Ge,Sn）的能带结构、态密度、介电常数谱和能量损失谱等。根据计算结果,Si₃As₄、Ge₃As₄和Sn₃As₄均为间接带隙型半导体。价带顶和导带底主要是X np-As 4p的杂化轨道。三种X₃As₄化合物在光学性质方面几乎不存在各向异性。随着IVA族X原子序数的增大,X₃As₄等离子共振频率、饱和有效价电子数分别减小和增大。二、利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势计算方法研究了赤铜矿结构贵金属氧化物M₂O（M=Cu,Ag,Au）的结构,电子结构以及光学性质。计算得到的Cu2O、Ag₂O结构参数与实验数值相符。Au₂O的晶格常数与Ag₂O相近。Cu₂O和Ag₂O的能带结构具有直接带隙特性,与实际情况相一致;Au₂O也可能是半导体材料,其在Γ处的带隙虽然接近于零,但考虑到DFT计算通常低估材料的带隙值,真实情况下可能具有更明显的带隙。M-O同时具有离子键和共价键特性。Au-O的离子键特性要弱于Cu-O和Ag-O。差分电荷密度图显示了原本充满的M d轨道上出现了空位,M d和M s,p态之间发生了复杂的原子内轨道杂化现象。比起Cu₂O和Ag₂O,Au 5d轨道上的空位数目要大于Cu 3d和Ag 4d上的情况;Au₂O中的原子内轨道杂化现象可能更为显著。Au₂O介电常数谱的计算结果可为后继研究提供理论参考。三、采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了N掺杂锐钛矿型TiO₂的可见光化机理。TiO₂是一种应用很广泛的光催化材料,具有化学性质稳定、活性高、环保等一系列优点:然而由于带隙能较大,只能工作在紫外波段;对可见光的利用转换率很低。近年来,多项研究工作证实了N掺杂可以有效地改善TiO₂对可见光的响应,但关于N掺杂引起的TiO₂可见光化原理目前尚有争议。本论文分别研究了N晶格取代、间隙N原子两种掺杂形式对于锐钛矿型TiO₂电子结构、光学性质的影响作用。计算结果表明,晶格取代N的2p电子在TiO₂价带上方引入杂质能级,并且随着掺杂浓度的增大这些能级的定域性减弱。电子从杂质能级向导带跃迁引起的光学吸收改善了TiO₂对可见光的响应。间隙N原子对TiO₂电子结构的影响主要取决于N与周围原子的结合情况。当N和一个晶格上O原子结合形成类似NO的粒子后在TiO₂价带上方产生一系列分立的杂质能级。电子从这些能级向导带的跃迁亦可使TiO₂对可见光产生吸收。这部分工作为理解N掺杂锐钛矿型TiO₂可见光化机制提供了新的理论参考。