二氧化钛（TiO₂）因在光催化剂、化学传感器和发光材料等领域的巨大应用背景而备受关注。如TiO₂晶体在太阳光照射下，利用光电转换效应，能吸收太阳光能量进行太阳能发电、光分解水制氢、光催化降解污染物等。尽管TiO₂的带隙较大，从而只能利用太阳辐射光中波长较短的部分，但是当在TiO₂晶体中引入氧空位等氧缺陷时可拓展纳米TiO₂的作用光范围至可见光；此外，TiO₂作为半导体氧敏传感器，其工作机理也与氧空位密切相关。因此半导体氧化物纳米晶体中有关氧缺陷的问题也成为研究的热点。材料中缺陷的形成与转化和其生长时的具体过程有关，依赖于生长条件（包括温度，气氛压强，原料纯度等）以及生长工艺（特别是在高温条件下的退火工艺）等。退火处理是晶体中各种缺陷的热运动最重要的过程，涉及到多种缺陷的生成和转化，尤其是当晶体本身存在着非化学计量比、组分元素价态的可变性和结构多型性时。无论氧从气氛纳入或者逸出晶体还是晶体内部氧缺陷态的氧化或还原反应都与退火温度以及气氛中氧的偏压紧密相关，显示出十分复杂的物理化学过程。但是，国内外对退火处理的研究都集中在退火工艺的探索上，对实验结果的分析还处于定性分析阶段，缺乏对热处理过程中缺陷运动微观机理的深刻理解，不能从根本上认识退火处理对晶体物化性质影响的物理机制，更不能精确控制退火条件，从而有目的地产生特定类型和特定浓度的氧缺陷。因此，从理论上对晶体退火过程中的微观机理进行深入研究，通过模拟计算给出晶体退火过程的微观动力学机制，不仅对这种半导体氧化物纳米晶体而且对其他氧化物晶体的点缺陷研究都具有重要的理论和实际意义。本论文旨在弥补这方面的研究空白。作为研究缺陷微观运动机制的重要组成部分，论文在第一性原理计算模拟的基础上，结合原子热力学（Ab Initio Atomic Thermodynamics）以及物理化学的相关知识，重点讨论了在氧缺陷热运动机理中扮演重要角色的三种缺陷（空位、填隙、吸附）在典型的退火条件下的热力学行为。论文由六章构成：TiO₂晶体的研究背景介绍（第一章）；计算机模拟的理论基础及相关软件的介绍（第二章）；完整晶体的块体以及表面的电子结构和原子结构（第三章）；含氧空位晶体的性质以及退火处理对其影响的研究（第四章）；表面吸附以及填隙类缺陷对材料物化性质的影响以及和退火处理直接的关系研究（第五章）；论文总结（第六章）。具体为：第一章，绪论。首先介绍了TiO₂的基本性质以及应用，然后介绍了当前的研究热点以及未解决的问题，最后提出了本论文的目的和内容。第二章，介绍了密度泛函理论和平面波赝势理论，以及以此为理论基础的第一性原理软件VASP。第三章，讨论了结构完整的TiO₂晶体的性质，详细分析块体以及几个低米勒指数表面的原子结构以及电子结构。第四章，讨论了含氧空位的TiO₂晶体的原子结构和电子结构，从而解释了还原气氛中退火处理后得到的reduced TiO₂其吸收谱扩展到500nm的起因以及由此引起的可见光光催化反应。还讨论了不同的退火处理条件对块体以及（101）表面中氧空位的影响。第五章，讨论了退火处理对填隙氧的影响。此外还讨论了次表面空位对氧吸附的影响。解释了富氧二氧化钛纳米晶体所具有的优越性质：高温下可稳定存在，较高的可见光光催化效率。第六章，全文总结。