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本论文包含三个部分：1.利用离子注入技术对四面体非晶碳(tetrahedral amorphouscarbon，ta-C)膜进行增强改性，以降低膜的内应力；同时对注入与未注入膜的热稳定性进行了研究；2.利用离子注入技术和电子束辐照技术对TiO2光催化薄膜进行增强改性，以制备出在紫外光、可见光和在自然光辐照下具有高活性的TiO2光催化剂；3.利用线性缀加平面波(linear argument plane wave，LAPW)方法从理论上研究离子掺杂对锐钛矿(anatase) TiO2电子结构的影响，并尝试利用计算结果对改性后的TiO2膜催化性能作理论解释。
用北京师范大学核科学与技术学院自行研制的磁过滤真空阴极弧沉积(filtered vacuumanodic arc deposition，FVAAD)设备，制备出超硬ta-C膜，其表面平整致密，硬度和弹性模量分别达64.0 GPa和489.0 GPa，但是膜的残余应力也高达8.lGPa。为了降低膜的内应力，利用北京师范大学核科学与技术学院自行研制的金属蒸汽真空弧(metal vapor vacuum arc，MEVVA)离子注入设备，在薄膜中注入不同能量和剂量的Ni离子或Ti离子。结果发现，经离子注入后，膜的内应力可以降低到原来的1/2-1/4，同时膜仍然可以保持很高的硬度和弹性模量。因此，离子注入是一种对ta-C膜增强改性的有效方法，可以用来制备出较厚的ta-C膜。
为了研究膜的热稳定性，对未注入离子和注入Ni或Ti离子的ta-C膜进行了空气中退火的实验。未注入离子的ta-C膜在空气中加热到4000C其结构没有改变；加热到500℃，在样品边沿有部分膜氧化消失，氧化严重，但剩余部分膜的电子结构仍然没变，膜中sp3键和sp2键所占比例不变，膜面仍然平整致密。经离子注入后，加热到400℃，膜面完整，但其电子结构已发生了改变；加热到5000C，在样品边沿及中间部分区域膜已不存在。由此得出结论：膜的致密程度对膜的热稳定性至关重要，离子注入ta-C膜，不利于膜在空气中的热稳定性。
用MEVVA源在TiO2膜中注入Fe、Ni、Cu离子，观察到在可见光辐照下催化活性增强和在紫外光和太阳光辐照下的催化活性降低的现象。在紫外光和可见光辐照下的催化实验结果与本实验室前期注入Cr、V、Fe离子的一致(太阳光下的催化实验前期没有做)。说明注入离子改变了膜中TiO2的电子结构，在TiO2能带中引入了杂质能级，拓宽了TiO2的光吸收范围，使膜具有可见光催化活性，但同时杂质离子在膜中也起着电子-空穴对复合中心的作用。
在注入Fe离子的TiO2膜表面，利用电子束沉积技术还原贵金属Pt、Ag或Au纳米颗粒，膜在可见光、紫外光和自然光辐照下的催化活性都得到加强。特别是沉积Pt的样品，在可见光和太阳光辐照下的催化活性比纯TiO2膜和单纯沉积Pt的样品的强。在紫外光辐照下，Fe离子注入后再沉积Au或Ag的效果比纯TiO2好，但仍然没有单纯贵金属沉积的效率高，而经Fe离子注入后再沉积Pt的样品的催化活性仍不如纯TiO2的好。
为了解释实验中观察到的前述现象，利用LAPW方法计算了锐钛矿TiO2和掺杂Fe、Ni或Cu的TiO2电子结构，发现在TiO2的带隙中产生了杂质能系，这些杂质能系的出现拓宽了TiO2对光的吸收范围，但这种能系的出现也为光生电子.空穴提供了新的复合途径，他们同时扮演了复合中心的角色。这正是离子注入膜，使其可见光催化活性增强而紫外光催化活性降低的原因。另外，共掺杂Fe+Ag的能带中的杂质能系宽度比单纯掺杂的宽，使掺杂TiO2价带中的电子能被低能量的光子激发电离。
对掺杂V、Cr、Fe、Ni和Cu的锐钛矿TiO2的态密度总结对比发现，从原子序数低的V到原子序数高的Cu，导带和价带朝高能级方向漂移。