作为一种应用较为普遍的光催化剂材料,TiO₂半导体不仅具有化学性质稳定,无毒,价廉,易制备、光催化能力强等特点,而且可以降解多种有机污染物,因此受到人们的重视。但是由于TiO₂的禁带宽度较宽,只能吸收紫外光,而紫外光只占可见光的4%左右,严重制约了对可见光的利用率,影响了其光催化效率,然而大量研究表明对TiO₂进行稀土元素掺杂可以改善其光吸收能力,但是对稀土元素掺杂改性的理论研究情况还有一些不足之处。基于以上因素,本文选取了TiO₂的两种晶体结构,分别是锐钛矿相和金红石相,作为掺杂基体,选取了N元素和五种稀土元素（La、Ce、Nd、Eu、Gd）,以单掺和共掺两种方式进行掺杂,采用第一性原理方法,利用CASTEP软件,对本征TiO₂及掺杂体系的电子结构和光学性质进行计算分析,以期为实际的科学应用提供理论依据。本文主要探讨的内容以及计算结果分析如下:首先,本文研究了纯锐钛矿相TiO₂、La单掺杂体系和La-N共掺杂体系的晶体结构、电子结构及光学性质,结果表明,纯锐钛矿相TiO₂的禁带宽度为2.255e V,La单掺杂体系的晶胞发生畸变,禁带宽度减小,并且掺杂体系的吸收带边向低能区移动,出现红移现象。而La-N共掺体系的晶胞同样发生畸变,但畸变的程度小于La单掺杂体系,晶胞结构相对更加稳定,共掺体系的禁带宽度大幅减小,体系出现杂质能级,红移现象更加明显。且随着这两种元素的掺杂,体系的静介电常数及折射率都得到了改变。其次,本文对Ce、Nd、Eu、Gd四种稀土元素的掺入和与N共同掺入锐钛矿相TiO₂体系进行了计算,结果表明,单掺体系的晶胞同样发生畸变,而掺杂原子的半径大小决定了畸变的程度,禁带宽度逐渐减小,体系出现红移现象。共掺体系晶胞畸变的程度小于单掺体系,禁带宽度大幅减小,甚至消失。再次,本文计算了纯金红石相TiO₂、La单掺杂体系和La-N共掺杂体系的晶体结构、电子结构及光学性质,计算结果表明,纯金红石相TiO₂的禁带宽度为1.955e V,小于锐钛矿相TiO₂,吸收系数从2.1e V处开始增大。La单掺体系的晶胞体积膨胀,禁带宽度略微减小,出现红移现象。共掺体系也出现了晶胞体积膨胀的情况,禁带宽度明显减小,出现杂质能级,吸收光谱亦出现红移现象,且红移程度明显强于La单掺杂体系,静介电常数及折射率都远大于La单掺杂体系。最后,剩余四种稀土元素单掺体系和共掺体系的晶胞畸变的情况与锐钛矿相TiO₂掺杂体系情况相同。Ce元素掺杂体系的禁带宽度略微增大,未出现红移现象,而其他元素掺杂体系的禁带宽度都有大幅度的减小,出现红移现象。稀土元素与N元素共掺后,Ce-N共掺体系的禁带宽度减小,其余三种共掺体系的禁带宽度消失,能级出现简并情况,红移程度优于单掺杂体系。与纯金红石相TiO₂相比,掺杂体系的静介电常数与折射率都有改变,能量损耗峰向低能区移动。