近几年由于能源的紧缺和环境问题的恶化,人们急需找到新型清洁能源。H2由于其能量密度高、环境友好而且可再生等特点成为未来能源的一种理想替代品。由于H2密度小、化学性质活泼等特点,在地球表面单质存在的量极少,因此要获取H2就需要从水中分解得到。光催化技术不但能够通过使用太阳光将水分解为H2和O2,还可以将环境中的有机物降解为C02和水,因此光催化技术成为未来解决能源和环境问题的有效手段而被世界各地物理学家、化学家和材料学家广泛关注。SrTiO3作为一种光催化剂,在光照时能够将水分子分解释放出H2和02。SrTiO3由于其带隙为3.2eV,只能对仅占太阳光能量的大约5%的紫外光响应,而对占太阳光能量43%的可见光没有响应,这在很大程度上限制了SrTiO3的应用。为了提高SrTiO3对可见光的响应,需要对SrTiO3的能带结构进行调节,最常见的就是掺杂。比如通过Cr掺杂后SrTiO3可以在可见光照射下能够从水中分解出H2, N-La共掺杂不但可以实现可见光区响应还可以防止出现电荷补偿性的自发缺陷的形成。在本论文中我们使用第一性原理研究了Nb-C-Nb共掺杂对SrTiO3的带隙的调节；Cr掺杂和未掺杂的SrTiO3的Ti02原子层的(100)表面电子结构；水分子吸附在Cr掺杂和未掺杂的SrTiO3的Ti02原子层的表面上的几何结构和电子结构。本论文第一章我们概括性的介绍了半导体光催化的机理,SrTiO3光催化研究进展和本论文的主要研究内容。第二章我们主要介绍了本论文的一些理论基础,包括Hartree-Fock近似、密度泛函理论、固体能带理论和一些密度泛函理论的程序包。第三章我们详细介绍了C、Nb单掺杂；C-Nb、Nb-C-Nb共掺杂对体材料SrTiO3电子结构的影响。第四章我们介绍了SrTiO3的表面结构以及Cr掺杂对SrTiO3表面的影响。第五章我们介绍了水分子吸附到Cr掺杂和未掺杂的TiO2原子层的SrTiO3上的电子结构。第六章我们对本论文进行了简单总结并对第一性原理计算光催化的研究方向做了展望。本论文的主要研究工作和内容如下：1.基于密度泛函理论的第一性原理计算结果表明由于C的2p轨道能量比O的2p轨道能量高,C掺杂可以提高SrTiO3的价带以达到减小禁带宽度的目的,但是通过形成焓的计算表明C很难进行掺杂,同时存在半满的能带。我们还发现Nb单掺杂对SrTiO3的能带结构没有明显影响,只是将费米能级移到导带底,表明Nb比Ti释放出更多的电子,因此我们采用Nb和C共掺杂以实现电荷补偿填满半满的能带,另外由于C4-离子与NB5+离子之间的库伦吸引作用可以促进C的掺杂,我们计算结果表明当有两个Nb原子替换掉相邻的两个Ti原子,当两个Nb之间存在O空位时,空位附近的C原子会自发占据到O空位上。2.当沿着垂直于SrTiO3(100)方向切出一个TiO2原子层表面时,我们的计算结果表明第一层的TiO2原子层会整体朝体内方向弛豫,第二层的SrO原子朝体外方向弛豫,由于Ti原子和O原子的移动距离不同,所以表面会出现皱褶。我们的能带计算结果表明,当SrTiO3切开一个表面之后,会在其价带顶r点处分裂出一条能带,这条能带主要是表面上O的py和pz态,因此我们认为这条能带是表面能带。此外从电子差分密度图上我们可以看出来第二层的Sr原子被极化,Sr原子上电子会朝体内移动。当Cr掺杂之后,由于Cr-O之间的相互作用更强,Cr原子朝体内方向弛豫的更多,所以在表面上形成一个凹面,Cr原子位于这个凹面的最低处。能带计算发现Cr的3d态会在带隙中引入三条带隙能级,由于Cr比Ti多释放出2个电子,因此费米能级被移到导带底部,从而引起SrTiO3的吸收边红移。同样电子差分密度表明第二层的Sr原子被极化,由于其极化方向是朝远离Cr原子的方向,因此我们认为Sr原子极化是由于两层之间电子密度增加而引起的排斥作用。3.水分子吸附在SrTiO3表面上是个放热过程,我们计算结果表明水分子中的O原子更容易吸附在Ti原子上方,由于水分子中离费米能级最近的1b1轨道主要是垂直于水分子平面的O2p轨道,因此水分子平而更容易平行吸附于SrTiO3表面,这样可以使1b1轨道与表面Ti原子更多的作用。但是水分子中H与表面O之间形成弱键,所以水分子平面会倾斜,同时O原子偏离Ti原子正上方。由于与表面Ti原子的作用,1b1会分裂产生一些新的能级,这些新的能级的能量比lbl能量更高,但是都低于费米能级,因此都是填满的,相当于电子从低能级转移到高能级上。通过研究Kohn-Sham轨道,我们发现这些新的轨道大部分是沿着垂直于表面的O2p轨道,此外由于水分子平面与表面的倾斜,因此这些轨道位于水分子的两个H-O键之间。因此,水分子的两个H-O键之间区域内电子密度增大。这个与我们计算的差分密度结论一致。当Cr掺杂之后,通过总能量计算,我们发现水分子更容易吸附在原理Cr的Ti原子上,由于水分子吸附在原理Cr的Ti原子上,因此其电子结构与未掺杂类似。通过计算吸附能,我们发现Cr掺杂可以促进水分子的吸附。