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半导体二氧化钛(TiO2)纳米材料在环境修复、绿色能源和微电子等领域有广泛的应用前景，然而在实际应用中存在诸多限制，如:禁带宽度大、只能吸收紫外光，纳米颗粒粉末易团聚、难回收，更重要的是纳米颗粒之间过多晶界的存在使电子-空穴的传输性能变得很差，大幅降低了材料的光催化或光伏性能。因而，本论文的研究工作集中在以下两方面以改善TiO2的实用性能:单晶TiO2纳米线的制备及结构表征和杀菌性能;高氮掺杂非晶TiO2薄膜的制备及结构表征和杀菌性能。
首先以Au为催化剂，通过调整热蒸镀温度和蒸镀原料的种类，在Ti板上可控地生长出不同形态的TiO2纳米材料。结果表明，这些不同形态的纳米材料都是金红石相TiO2单晶。以Ti及TiO粉为蒸镀源、在850℃得到蠕虫状纳米线，900℃及以上温度得到直线状纳米线;无蒸镀源时、900℃得到纳米片，1000℃和1050℃得到大量的直线状纳米线。在所有的直线状纳米线的产物中，发现极少量的端部呈链球状的纳米线。实验中还发现，固态Au颗粒对TiO2纳米线的生长仍然具备催化作用;另外，Ti基底的固态相变对TiO2产物的形态有重要影响。基于此分析讨论得出高温时纳米线的生长过程遵循经典的气-液-固(VLS)理论;但在低温时纳米线的生长则可用Ti基底的固态原子扩散来解释较为合理。
其次，利用透射电镜对不同形态的TiO2纳米材料进行了详细的微观组织结构表征。主要结果如下:不同形态（直线状、蠕虫状、链球状）的TiO2纳米线都是单晶，且它们的生长方向都是金红石相Rutile的[110]晶向。直线状纳米线的横截面受到Au颗粒的影响而呈现六边形结构且暴露面为{110}和{112}，纳米线内部为实心结构。充当TiO2纳米线生长催化剂的Au颗粒呈多面体结构，跟理想的由{111}和{100}晶面围成的截角八面体相似，不过截角八面体稍有畸变，因为存在Au与TiO2纳米线之间的相互作用。实验中发现一种Au与TiO2纳米线之间的取向关系为:(-111)Au//(010)TiO2，[211]Au//[101]TiO2，Au的(-111)原子面与TiO2的(010)原子面之间的晶格失配度为2.45％。结合形貌像与电子衍射，分析确定了TiO2纳米片的上下表面为{110}晶面。
然后研究了氮掺杂TiO2(TiON)非晶薄膜在微波场中的晶化行为。与普通热退火相比，微波可以使非晶TiON薄膜在非常短的时间内晶化，并且薄膜的氮含量高、晶化程度好。用微波在500℃加热20s即可获得氮含量为4.1at.％（原始非晶TiON薄膜氮含量为4.4at.％）、晶粒横向尺寸为200nm纵向贯穿整个薄膜厚度的TiON薄膜;而用电阻炉在500℃加热5min只能得到氮含量为2.3at.％、晶粒尺寸小于10nm的TiON薄膜。微波加热温度对TiON薄膜的微观结构影响很大，500℃及以上在20s内即可获得由贯穿整个薄膜厚度的大晶粒组成的TiON薄膜，而在450℃加热120s却只能得到由尺寸为几个纳米的晶粒组成的薄膜。
最后，对比研究了不同TiO2纳米材料的杀菌性能。热蒸镀法制备的各种形态TiO2纳米材料中，其光催化活性由高到低依次为纳米片、蠕虫状纳米线、直纳米线和多晶颗粒膜。多晶颗粒膜的杀菌性能最差，可能是由于其较大的晶粒尺寸(约500nm)而导致催化活性下降造成的;纳米片的杀菌性能最好，分析认为与其{110}暴露面所占比重较大有关。微波晶化TiON薄膜可见光杀菌性能优于同等温度下普通热处理TiON薄膜。由于微波晶化TiON薄膜的含N量高、晶化度好，其可见光杀菌性能优于同等温度下普通热处理的TiON薄膜。