随着纳米技术的发展，对纳米材料研究与应用已经成为当前科学研究活动中最活跃的方面之一，并且越来越深刻地影响着人们日常生活的方方面面。通常来说，人们按照维度把纳米材料分为零维(0D)，一维(1D)与二维(2D)纳米材料。通过降低维度，纳米材料表现出了与传统体材料不同的新奇的效应，比如量子限制效应等，并且展示出了不可估量的应用前景与价值。　　在对各种纳米材料的开发中，新能源材料研究正逐渐成为人们社会生活与生产中非常重要的部分。这源于基于人类对不可再生能源消耗的担忧以及对高效的可再生能源的追求。人们一直试图寻找一种可控，高效，并且成本低廉的能源材料。其中，纳米二氧化钛(TiO2)是其中公认最具潜力的一种。这是由于TiO2是一种具有光催化活性的多功能材料，它的廉价的制备技术与优异的光电转化性能使其在能源领域具有非常好的应用前景，如利用太阳能合成清洁能源(氢气)、构造太阳能电池等。最近几年对TiO2的纳米材料，如零维的纳米颗粒(nanoparticle)、一维的纳米线(nanowire)和纳米管(nanotube)、二维的纳米层(nanoslab)等的实验与理论研究快速增长。然而，一些基础的问题仍然没有很好的解决解决办法，比如由于量子限制效应，TiOz的带隙比体材料更宽，妨碍对可见光的吸收。所以如果能够仅仅调节TiO2的本征带隙，将对其应用产生重要的影响。另一方面，目前多数研究都基于TiO2的三维的体材料，对低维TiO2原子结构和电子结构的基础认识仍然非常缺乏。众所周知，低维TiO2能够提供比体材料更大的表面-体积比，提供更大的与反应物和太阳光接触的面积，这是比体材料优异的地方。从这一点上看，表面对低维TiO2的结构和电子结构将产生很大的影响。通过理论的手段研究低维TiO2的量子限制效应、表面效应，以及它们的关系，并且对结构和电子结构进行预测，是应用这种优秀光催化材料的前提。　　在理论预言方面，基于量子力学的第一性原理方法(First-Principies Theory)是一种非常有效的研究手段。第一性原理计算可以对纳米材料的结构和电学特性，如原子弛豫、光学吸收和激发、磁性、力学性能、化学反应过程等作出有效的预测。已经被证明的成功的应用包括：材料缺陷设计与修复、掺杂改性、材料自组装、气体感应与储存、纳米材料设计等等，使材料制备更有目的性，大大地提高了工作效率，缩短了材料开发周期。因此，本人博士后阶段的工作主要针对低维金红石TiO2材料，采用第一性原理的理论方法，对低维TiO2纳米层(2D)，纳米线和纳米管(1D)的原子结构、能量、电子结构进行了系统地研究，揭示了低维TiO2中的新奇的表面效应和量子效应，为这些新型TiO2材料的制备的应用提供理论依据。　　主要的研究内容和研究结果如下：　　·二维TiO2纳米层(薄膜)在过去的20年中一直被普遍采用作为研究TiO2表面和H2O分子作用的模型，是研究半导体表面结构和化学动力学反应的一个著名的模型。在TiO2的各低指数面中，(110)面是最稳定的，因此也是研究最多的。实验上有丰富的论文研究它的表面原子弛豫和重构，但是对于拥有两个(110)面的TiO2纳米层来说，缩短的面.面距离使得两个表面之间产生相互作用，这种相互作用不仅在结构上，而且在电子结构上对TiO2纳米层产生深刻的影响。我们的理论计算揭示，TiO2(110)面的原子弛豫会形成基于不饱和O原子和不饱和Ti原子的两种极化方向相反的表面偶极子以及一系列深层的诱导偶极子。表面偶极子引发的内建电场弯曲了TiO2(110)表面的能带并使表面态暴露在带隙中。两个表面的偶极子-偶极子和表面态-表面态发生相互作用，对TiO2纳米层的能量、结构和电子结构产生显著的影响。这解释了TiO2(110)纳米层因对称性导致的结构、能量和带隙的“奇偶振荡”奇特行为。我们的研究不仅重新审视了纳米材料中表面一表面之间的类似于原子-原子相互作用的独特性质，而且指出可以通过表面-表面成键作用(Surface-bonding effect)达到减小TiO2纳米层带隙的目的，从而调节其光敏性质。　　·由于具有一维的方向性以及更高的表面-体积比，TiO2纳米线、纳米管是目前实验中广泛制备的TiO2纳米材料，在光催化和光伏领域具有很好的应用前景。针对这种准一维纳米材料可能存在的表面效应，我们研究了一维TiO2纳米线、纳米管的结构、能量和电子结构随半径(线、管)和壁厚(管)的变化规律。我们发现，在尺寸降低的情况下，由于表面.表面相互作用的存在，TiO2纳米线和纳米管的结构、稳定性取决于尺寸和表面的种类。表面之间的成键效应(surface-bonding effect)和传统量子限制效应相互竞争，引起带隙的振荡以及直接-间接带隙之间的转换。这种反常地振荡行为和二维纳米层中的振荡行为具有类似的起源，即在量子限制效应的基础上，由表面成键效应决定带隙的演变规律。这是第一次对TiO2纳米线和纳米管的带隙振荡现象进行解释，并明确指出可以通过表面成键效应(surface-bonding effect)来减小TiO2纳米线、纳米管的带隙。