TiO₂独特的光电特性以及它无毒、无二次污染、稳定性高、原材料丰富等特点使之在环境治理/检测和光电等领域得到了广泛应用。但随着研究的不断深入,本征TiO₂的诸多性能（如宽带隙,低迁移率,高电阻率等）已经开始限制其在上述领域的进一步发展。另一方面,市场的多样化也对TiO₂在上述领域提出了新的要求。因此,对TiO₂进行必要的材料改性,有针对性的调控TiO₂光电性能,能帮助打破目前TiO₂应用瓶颈,并提高TiO₂在上述领域的性能。此外,对改性的材料进行系统测试分析,找出材料性质与应用的关联点,从材料设计的角度来看,也可为后续材料改性提供一定的指导和参考。基于上述情况,以环境和光电为关注领域,本文开展了以下工作:1.用水热法首次在FTO衬底上制备了自组装c轴取向锐钛矿二氧化钛纳米薄膜。通过在制备金红石相TiO₂薄膜的前驱体中加入少量浓硫酸,得到了致密的c轴择优取向的锐钛矿薄膜,并考察了水热反应条件如温度,时间,PH值,退火条件等对薄膜取向、结构和形貌的影响。研究发现锐钛矿薄膜成核机制属于瞬态成核,且薄膜的生长过程存在金红石和锐钛矿成核的竞争过程,只有在较窄的反应窗口,才能得到自组装的锐钛矿薄膜。将c轴取向的锐钛矿和金红石薄膜均用于氢气气敏检测,在较低的工作温度下（100℃）,二者均表现出良好氢气响应:金红石气敏传感器的灵敏度（554）比锐钛矿气敏传感器的灵敏度（55）高一个数量级,锐钛矿的响应（30s）和恢复时间比金红石薄膜传感器（80s）要短。金红石纳米棒的自组装使金红石薄膜的暴露面主要为高能（001）面,而锐钛矿为低能的{101}和{001}晶面簇,导致金红薄膜吸附能力比锐钛矿强,灵敏度也比较高,相应的,需要的响应时间就更长。2.利用水热法制备了Mn掺杂锐钛矿TiO₂可见光催化剂,催化剂颗粒尺寸在6nm左右。通过调整水热前驱体溶液成分,成功将Mn掺入锐钛矿晶格,研究发现适量的乙醇（占溶剂总体积90%以上）和硝酸是Mn成功掺杂进入锐钛矿的关键。Mn掺杂实现了锐钛矿TiO₂吸收边的红移,将TiO₂的光吸收范围扩展到可见光至近红外区,使催化剂能利用太阳光的可见光波段。掺杂后,粉末晶粒尺寸下降,锐钛矿Ti O₂晶格沿c轴收缩。对掺杂浓度的讨论发现,Mn在锐钛矿TiO₂的固溶度为35%,超过此浓度时多余的Mn以氧化物（Mn₃O₄）的形式析出。XPS分析显示Mn掺杂锐钛矿TiO₂催化剂Ti 2p的结合能向低能方向移动,XANES测试结果确定掺杂锐钛矿TiO₂粉末中Ti为正四价,二者结合说明XPS中结合能的移动是由于Mn掺杂引起Ti与O之间结合变弱造成的。对Mn 2p XPS分析发现当Mn掺杂含量低于其固溶度时,Mn表现出3+和4+的混合价,且3+含量随Mn掺杂浓度而升高;当掺杂浓度超过35%时,Mn一部分掺杂,一部分以Mn₃O₄的形式析出,Mn呈现2+、3+和4+三种价态。Mn L边的XANES谱也证实掺杂浓度高于固溶度时,大部分Mn以Mn₃O₄的形式存在;当掺杂浓度低于固溶度时,在DFT计算的EELS谱的辅助下,发现Mn化学价的变化在Mn L边XANES谱中表现为主峰和侧峰相对强度和峰半高宽的变化。总体来说,Mn的平均化学价随掺杂浓度上升而降低,DFT计算得到其掺杂后平均化学价范围为3.26³.4,与XPS测试结果一致。Mn掺杂会在锐钛矿能带内引入两个弯曲的中间能级（由Mn 3d和O 2p的交互作用引起）,辅助光吸收过程,使吸收边红移。掺杂后锐钛矿TiO₂的可见光催化性能均有不同程度的提高,其中催化效果最好的是低掺杂浓度的样品（1%）。与XPS化学价对比发现,其光催化性能与Mn⁴⁺的比例正相关,Mn⁴⁺含量越高,催化效果越好,Mn⁴⁺掺杂可促进锐钛矿TiO₂的可见光催化性能。3.采用Nb掺杂TiO₂薄膜（TNO薄膜）来改进TiO₂的光电性能,得到了光电性能可与市售透明导电氧化物（TCO）材料-ITO相媲美的TNO薄膜。本文采用远源等离子体反应溅射TiNb（Nb:6.5 at%）合金靶材,在玻璃衬底上制备了电阻率为6.4×10^-4?cm,可见光透过率大于87%的锐钛矿TNO薄膜,薄膜厚度为445nm。薄膜采取室温制备,后续退火的方式。280℃（目前报道的最低热处理温度）及以上的退火温度使薄膜由非晶变为晶态,结晶过程可消除缺陷,促进铌掺杂,提高薄膜的透过率和导电性。退火后薄膜载流子浓度提高了5个数量级至10²¹数量级,载流子浓度由1.96提高到17.8cmV^-1s^-1。EDX元素分析得到Nb在金属原子中含量为6.7at%。对薄膜HRTEM结构分析发现,非晶TNO薄膜中有其衍射与锐钛矿TiO₂结构对应的微小纳米晶的存在,正是这些纳米晶的存在,使薄膜生长无需克服能垒重新形成晶核,从而降低结晶温度。退火前后薄膜Ti和Nb均表现出两种化学价(分别对应Ti³⁺/Ti⁴⁺,Nb⁴⁺/Nb⁵⁺),三价钛的存在说明薄膜中施主类缺陷的存在。退火后,钛的整体化学价升高（平均化学价3.77至3.81）,铌整体化学价降低（4.78至4.75）,电荷由钛向铌转移。退火后金属离子平均化学价从3.83升高到3.86,对应O元素含量由63.9%上升至64.4%,说明退火过程使氧空位含量降低。结合DFT分析结果得出,Nb掺杂使锐钛矿关电性能提高的原因在于Nb引入的过剩载流子和氧空位的共同作用。在制备时应选取稍低于理想化学计量比的氧含量,抑制钛空位的形成,促进Nb的替位掺杂,同时应避免表面氧空位浓度太高使光电性能恶化。空气退火有助于消除缺陷,提高光电性能。本文制备的TNO薄膜可替代市售ITO相比,具有很高的市场应用前景。