TiO₂ 纳米薄膜因其独特的物理化学性质,特别是作为光催化氧化剂,具有很高的氧化还原活性,在环境污染治理中有着广泛的应用前景,引起人们很大的兴趣。本课题从理论和实验上对TiO₂的结构和性质进行了如下几个方面的研究: 1.)利用基于密度泛函理论的赝势方法对金红石、锐钛矿和板钛矿TiO₂进行模拟,在此基础上对三种晶型TiO₂的几何、电子结构和光学特性进行了系统的分析。对于金红石和锐钛矿TiO₂,计算得到的带结构、平衡晶格常数等与报导的研究结果符合的很好。文中亦给出了板钛矿基态特性的结果。对三种晶型TiO₂的光学特性也进行了计算,并与可获得的实验数据进行了对比。我们的计算结果表明,三种晶型的光学特性差异不大。通过模拟计算,给出了一些有用的参数,如:晶体几何结构参数,介电常数等。2. ) 为改善TiO₂的光谱响应范围,过渡金属离子掺杂对TiO₂活性的影响受到关注。本文运用基于从头计算原理的F-LAPW 和超原胞方法,计算了3d 过渡金属（V, Cr, Mn, Fe） 掺杂TiO₂ 的电子结构。计算结果表明,杂质的局域能级t2g 态在可见光激发过程中扮演了重要角色。为了定性验证理论预言,我们制备并用紫外-可见分光光度计测试了Fe3+掺杂的TiO₂样品。实验结论与理论预言相符合。3.)制备出纳米TiO₂薄膜,以紫外-可见分光光度计为主要测试手段,对所制备的样品进行光谱测试与分析,对TiO₂掺杂后的光学带隙亦进行了拟合计算。实验结果表明,Fe3+掺杂会使TiO₂的光谱响应发生红移,而Ag+掺杂则会导致蓝移。