β-Ga₂O₃作为一种新兴的超宽禁带半导体材料,它具有4.9 e V的禁带宽度、8 MV/cm的高击穿电场以及优良的Baliga品质因数等出色的特性。作为下一代大功率器件材料,β-Ga₂O₃受到了越来越多的关注。此外,β-Ga₂O₃在紫外探测器和气体传感器等领域也拥有着广阔的应用前景。当前,材料制备过程中产生的本征缺陷将对材料性质产生重要影响,而氧空位作为β-Ga₂O₃材料中常见的缺陷结构,本课题将对其进行研究。此外,掺杂作为影响材料性能的关键,被认为是β-Ga₂O₃材料研究的难点和突破点。因此,本课题还选择了Ti和Al作为掺杂元素探究了金属掺杂对β-Ga₂O₃材料的影响。本文的主要研究内容和结果如下:（1）基于密度泛函理论,对本征以及不同氧空位浓度下（1.25 at%、1.67 at%和2.50 at%）的β-Ga₂O₃的晶体结构、电子结构和光学性质进行了第一性原理计算。在GGA+U方法计算下,本征β-Ga₂O₃晶格参数和光电性质符合实验值。当β-Ga₂O₃存在氧空位时,β-Ga₂O₃中的键长键角发生变化,其中O2位置的氧空位造成的结构晶格畸变最大,且结构体积下降幅度最大。在三种位置的氧空位中,O1的形成能最低。而在缺氧和低浓度的条件下,氧空位形成能也会更低。此外,氧空位将在能带中产生一个深施主缺陷能级,但其很难改善材料的导电性。随着氧空位浓度增大,缺陷结构的禁带宽度将增加,缺陷能级与导带之间的距离也将加大。与本征β-Ga₂O₃结构相比,氧空位缺陷结构的介电函数虚部和吸收光谱中均引入了新的峰值,峰值之间的位置差异符合能带结构中的缺陷水平情况。此外,随着氧空位浓度的增加,介电函数虚部和吸收系数的峰值都将增加。（2）基于密度泛函理论,对本征缺陷下Ti掺杂β-Ga₂O₃的晶体结构,电子结构和光学性质进行了第一性原理计算,并探讨了本征缺陷与Ti掺杂原子之间的补偿作用。本征缺陷下Ti掺杂β-Ga₂O₃的四种缺陷结构包括O间隙(Ti_Ga2O3O_i)、Ga间隙(Ti_Ga2O3Ga_i)、O空位(Ti_Ga2O3V_O)以及Ga空位(Ti_Ga2O3V_Ga)。计算结果表明,Ti作为有效的n型掺杂剂,可使β-Ga₂O₃材料更具导电性。在特定条件下,O间隙和Ga间隙的缺陷形成能较低,表明Ti_Ga2O3O_i和Ti_Ga2O3Ga_i两种缺陷结构相对稳定。此外,间隙O原子在一定程度上补偿了Ti掺杂的作用,并减少了Ti掺β-Ga₂O₃材料的n型导电性;而间隙Ga原子则增强了Ti掺β-Ga₂O₃材料的n型导电性。在光学性质方面,Ti掺杂β-Ga₂O₃材料吸收边缘较本征β-Ga₂O₃表现出轻微的红移。此外,除Ti_Ga2O3Ga_i外的其他缺陷结构的光吸收边缘都将相对于Ti掺杂β-Ga₂O₃材料红移。（3）基于密度泛函理论,对不同Al掺杂浓度下（1.25 at%、1.67 at%和2.50at%）β-Ga₂O₃的晶体结构、电子结构和光学性质进行了第一性原理计算。Al掺杂β-Ga₂O₃结构后新生成的Al-O键将比β-Ga₂O₃对应位置的Ga-O键更短,掺杂结构的体积也将减小。此外,Al在β-Ga₂O₃的Ga2位置中进行掺杂的形成能更小。当在β-Ga₂O₃结构中掺入Al原子时,掺杂结构的价带顶位置将转移到M点处,从严格意义来讲材料将转变为间接带隙材料,然而Al掺杂β-Ga₂O₃结构依然表现出直接带隙结构的性质。此外,Al掺杂β-Ga₂O₃结构的直接和间接带隙都将随着Al掺杂浓度的增加而增大,并且两种带隙值之间的差距也将加大。Al掺杂结构的带隙大小主要由价带中的O-2p态和导带中的Ga-4s态决定,这与β-Ga₂O₃一致。Al掺杂β-Ga₂O₃结构的吸收边缘的位置由带隙大小决定,随着Al掺杂浓度上升,掺杂结构的介电函数虚部及吸收系数都将发生蓝移。