TiO₂是一种应用广泛的半导体材料,拥有较好的稳定性、无毒性、耐腐蚀性、高效性、无污染以及价格低廉等许多优点。在高压和高温下具有良好的稳定性,是一种宽带隙氧化物半导体材料。TiO₂凭借良好的物理性能,被广泛应用于透明导电氧化物、光催化剂、光电子器件和稀磁半导体等技术领域。基于TiO₂潜在的实际应用价值,TiO₂半导体的研究成为了人们关注的焦点。过渡金属元素掺杂能够改善金红石TiO₂的物理性能,目前已有一定的理论和实验研究。然而,Fe掺杂和氧空位共存在金红石TiO₂中磁性影响的研究仍然有分歧,且不同价态元素Fe掺入金红石TiO₂磁光机理理论研究鲜有报道,有一定深入研究的必要。为了解决该问题,本文利用Materials Studio 8.0软件的CASTEP模块,基于密度泛函理论的广义梯度近似（GGA）平面波超软赝势+U的方法对Fe掺杂金红石TiO₂的光学、电学和磁学性能进行了计算。为了研究Fe掺杂与氧空位共存在金红石TiO₂体系的磁性来源和机理,本文构建了未掺杂TiO₂、不同配比量的Fe替换Ti和O空位共存在金红石TiO₂体系的Ti₁₅Fe O₃₁、Ti₁₅Fe O₃₀、Ti₁₄Fe₂O₃₁、Ti₁₄Fe₂O₃₀四种超胞模型。计算了掺杂体系的态密度分布、吸收光谱和磁矩大小。计算结果表明,当Fe/V_O（1:1,1:2,2:1,2:2）不同掺杂量的条件下,掺杂体系磁性显著不同。当Fe/Vo配比量为2:1时,掺杂体系磁矩相对最大,同时,掺杂体系居里温度在室温以上。这对于高温和高磁矩稀磁半导体获得非常有利。Fe和V_O配比浓度为2:2的Ti₁₄Fe₂O₃₀体系产生了电子自旋极化率100%的半金属化的特性。磁性来源主要由Fe掺杂和O空位的复合体产生的空穴为媒介,使得O空位附近Ti原子的3d电子轨道,O-2p电子轨道和Fe-3d电子轨道自旋极化双交换作用引起的。在相同掺杂量,当Fe替换Ti的位置和O空位次近邻时,掺杂体系的形成能最低,掺杂体系的稳定性最高。与纯金红石TiO₂体系相比,Fe掺杂和O空位掺杂体系的吸收光谱红移。由于不同价态Fe掺杂对金红石TiO₂磁光性能影响的研究,目前还没有从磁光机理上被人们所认识。所以,本文构建六种不同有序占位分别掺杂Fe²⁺或Fe³⁺价态在金红石TiO₂中,在进行几何优化的基础上,计算了掺杂前后体系的电子结构、磁光性质。计算结果表明,相同体系下,富氧环境下的形成能比富钛环境下的低,稳定性更高。无论是富氧条件下还是富钛条件下,与Ti₁₄Fe₂²⁺O₃₂相比较,Ti₁₄Fe₂³⁺O₃₂形成能更低,结构更稳定。两种掺杂体系带隙都变窄,吸收光谱都红移,都引入空穴或电子的俘获位,降低空穴-电子对的复合几率。特别是,与Ti₁₄Fe₂²⁺O₃₂体系相比,Ti₁₄Fe₂³⁺O₃₂体系带隙更变窄,吸收光谱红移更显著,电子和空穴复合更慢,分离更快,光催化性能更好,表现为半金属化的p型稀磁半导体,这作为空穴注入源非常有利,且能够实现居里温度室温以上的铁磁性。通过第一性原理,合理解释了Fe掺杂和O空位掺杂金红石TiO₂体系磁光性能机理和来源,这对实现Fe掺杂金红石TiO₂作为稀磁半导体和光催化材料的应用具有指导性意义。