阻值变化现象是器件物理研究领域的一个热点课题，其表现为在外加电场激励作用下，绝缘介质材料电阻率发生可逆变化。其中，对于某些特殊结构的阻值变化器件而言，激励消失后电阻率仍可保持在稳定水平。基于这种性质，开发以电阻率大小作为信息存储载体的二值或多值非易失存储器件将成为可能。当前，相关研究文献中已经提出的多种阻值变化机理模型，试图从绝缘介质材料中导电通路的组分、形貌及电荷输运等方面对器件工作行为进行描述。然而，现有的模型大多还停留在宏观唯象的层面，无法对阻值变化现象给出微观解释。
　　针对阻值变化现象研究中存在的问题，本文基于密度泛函理论框架的第一性原理方法，在原子尺度下对金红石型二氧化钛的缺陷电子结构及其输运性质进行了系统的研究。主要内容如下：
　　1.对金红石型二氧化钛能带结构进行DFT+U修正。由于标准DFT方法在处理电子关联问题中存在自相互作用误差，本文采用DFT+U对金红石电子结构进行修正。为了得到合适的参数U，文中通过“地毯式”计算方法评估了不同U参数对计算结果的影响，并结合线性响应方法和经验参数设定两种途径确定U参数的数值。计算结果表明，当对O-2p轨道和Ti-3d轨道分别施加4.5eV和4.0eV修正时，可以得到与实验结果相匹配的能带结构和晶格常数。
　　2.对金红石结构中本征缺陷中的极化结构进行了研究。采用DFT+U修正，本文对金红石中本征缺陷的能带结构和载流子极化行为进行了计算。计算结果氧空位和钛间隙两种本征缺陷会形成电子极化子，而钛空位缺陷形成空穴极化子，氧间隙未体现自旋极化特性。另外，载流子极化位置、强度与离子弛豫过程的初态结构相关。通过对极化子结构进行分析发现，当某格点钛离子局域一个电子形成极化子后，其附近的6条配位钛-氧键会有不同程度的伸长。基于此，本文通过手工调节初始原子结构，可以引导缺陷结构中的过剩电子在不同位置形成局域极化子。同时，文中对不同超晶胞大小的氧空位缺陷模型进行了计算，结果发现氧空位的浓度对库仑相互作用参数U会产生影响并进一步导致最稳定极化结构随缺陷浓度发生改变。随着氧空位浓度的增大，缺陷极化结构从小极化子变为混合极化，这一计算结果与光谱实验数据相吻合。
　　3.对金红石中本征缺陷的扩散输运行为进行了研究。采用CI-NEB方法对弗伦克尔缺陷形成过程以及四种本征缺陷在晶格中沿不同路径扩散输运的过渡态进行了搜索。结果发现，钛离子的弗伦克尔缺陷的形成能（3.97eV）小于氧离子的弗伦克尔形成能（4.8eV）。在四种本征缺陷沿不同扩散路径的过渡态搜索结果表明，钛间隙沿[001]方向的扩散具有最小的输运势垒（0.5eV）。
　　4.对金红石中掺杂元素的占据方式和扩散输运行为进行了研究。通过在完美晶格的不同位置引入元素掺杂并进行结构弛豫，发现掺杂元素在晶格中最稳定的位置与元素电负性及离子半径密切相关。对于非金属的N、F、Cl等元素而言，电负性与O元素相近，进入晶格后倾向于与O格点离子共享电荷甚至取代它的位置。对于其它元素而言，最稳定状态的位置随着离子半径的减小，可分别占据Ti格点位置、空的氧八面体中心、空的氧四面体中心。另外，文中采用CI-NEB方法对不同元素沿c轴方向扩散输运过程的过渡态进行了搜索。结果表明，N、Cr、Mn、Tc等元素具有最高的势垒值，这表明势垒高度主要受价电子数目影响。另外，碱金属过渡态势垒值随着元素序数增大而增大，说明离子半径对势垒高度也存在影响。