当今世界人类正面临着环境污染的巨大压力。随着工业化的快速发展,森林植被减少,空气中有毒有害物质的增加,给人类的生产生活带来了巨大的威胁,当空气中的CO气体达到一定浓度时,就会对人体造成十分巨大的伤害,严重者将会窒息死亡。而如何高效准确地检测气相体系中的有毒气体成分及浓度,已成为当前世界气敏传感材料的一个研究热点。半导体光学气敏传感材料受到一定一段波长范围内的光照时,会表现出一定的光学特性。其原因是光学气敏传感材料表面吸附气体后,气体分子与材料表面氧空位发生相互作用,引发电子性质的变化,受到光照以后,材料的光学性质就会发生明显变化从而达到检测吸附气体成分及浓度的目的,这就是光学气敏传感的工作原理。传统光学气敏传感器灵敏度高,响应率高,响应时间短但价格较高。目前,TiO₂以其稳定的化学性质、表面强氧化还原性、灵敏度高、无毒、成本低等优点而被用于制作光学气敏传感材料,主要是由于TiO₂表面具有较多的氧空位且氧空位具有一定的氧化性,当氧空位与环境中的气体发生氧化还原反应,TiO₂表面电荷就会与气体分子发生电荷的转移,在费米面附近电子的特性发生变化,宏观上就表现为材料的光学性质变化。也就是通过材料入射光的吸收或反射的光学性质的变化来反映出气体的浓度,而TiO₂表面氧空位的氧化性是传感材料对环境气体灵敏度和响应效果的决定性因素。所以,我们常常通过元素掺杂来改善TiO₂表面氧空位的活性,一般是采用金属和非金属共掺杂的方式来实现。本文主要研究的是光学气敏传感材料TiO₂对还原性气体CO的光学气敏传感特性,因此选择能增强TiO₂表面氧空位氧化性的元素进行掺杂。在元素周期表中,N、S分别是与O元素同周期、同主族且都近邻的元素;而Rh、Cu都具有最外层s1电子（Cu 4s1、Rh 5s1）结构,比较活跃,容易与外界发生电子交换,因此理论上该四种元素的掺杂都会增强TiO₂表面氧空位的活性。本文研究采用第一性原理平面波超软赝势方法,基于密度泛函理论（DTF-D）体系计算还原性气体CO分子吸附在掺杂S、Cu、S-Cu共掺杂,掺杂N、Rh、N-Rh共掺杂和N-Cu共掺杂金红石型TiO₂（110）表面后的光学气敏传感特性,对结构优化之后的各种未掺杂、单掺杂和共掺杂模型的吸附特性、电子性质和光学性质综合分析,解释其微观机理,探究一种TiO₂表面对CO气体的光学气敏传感特性改善最好的掺杂方式,以期为未来的实验研究和实际应用提供一定的理论指导。具体包括了如下三方面的性质:1.吸附特性。研究发现,掺杂后的TiO₂表面吸附CO气体分子后,均表现出了较好的吸附特性。但共掺杂体系吸附CO气体后的吸附距离更短,吸附能更大,吸附后稳定性更好,更易实现。2.电子性质。研究发现,掺杂使得TiO₂表面得电子数增加,提高了表面氧空位的氧化性,且共掺杂体系得电子数最多,表明共掺杂对表面氧空位活性改善最多;而元素的掺杂不仅降低了TiO₂的带隙宽度,使其对光的响应范围发生了改变,同时掺杂也在TiO₂费米能级及附近引入杂质能级,提高了电子跃迁的几率,使得TiO₂对光的利用率增加。3.光学性质。研究发现,掺杂明显提高了TiO₂对可见光的响应效果,而且共掺杂体系提高的最多;而从吸收系数和反射率中我们发现,单掺杂对可见光的利用率效果不佳,共掺杂体系在可见光区呈现出“高吸收、低反射”的光学现象,对可见光的利用率最好。本文通过对吸附特性、电子性质和光学性质这三个方面的比较,研究发现:N-Cu共掺杂体系吸附能最大,吸附距离最短;对TiO₂表面氧空位氧化性的提高最多;在整个可见光区对光的效应效果最好,在相同的能量下吸收能量使电子跃迁的几率更大。尤其是在高能区出现“吸收高、反射低”的光学特性要比N-Rh共掺、S-Cu共掺更显著。因此N-Cu共掺杂体系是三种改进TiO₂光学气敏传感效应的良好方式中最好的一种。