随着器件尺寸的减小,用于金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）中的高k栅介质受到广泛关注,而铪基高k材料由于其优越的电学性能,更为人们所重视,但目前对铪基高k材料的掺杂改性并没有系统的理论研究。近年来发现铪基介质掺杂呈现出铁电性,广泛应用于负电容FET。然而由于实验制备MOS器件工艺的复杂性以及不可控性,导致研究者们大多都只是对铪基高k材料进行了某一种掺杂的研究,并未系统比较各种掺杂剂的优缺点;且目前对于Hf基高k材料出现负电容现象的微观机制没有令人信服的理论解释,目前较为统一的看法是负电容现象的出现跟材料本身的铁电性有关,而这些问题深究下去,都是在原子层面上的分析。鉴于第一性原理的方法在研究材料特性、掺杂计算等方面有较为准确的计算结果,可以有效地分析掺杂前后的材料特性,因此本文使用第一性原理的方法对上述问题给出一定的理论分析和理论支撑。本文使用第一性原理的方法对应用于MOS器件中的高k栅介质Hf O2掺杂后的材料特性进行了系统的研究。研究的内容主要有三个方面:（1）通过对单斜相Hf O2进行Zr、Al、Ta、Ti、Gd、Si元素掺杂的模拟分析,对不同元素掺杂后高k栅介质的k值、缺陷形成能和能带结构进行对比分析。发现Zr掺杂Hf O2可以有效增加体系的k值,且相对于其他元素的掺杂,可以有效地抑制体系中缺陷的形成。（2）通过模拟不同浓度的Zr掺入Hf O2的情况,分析掺杂后Hf1-xZrxO2（HZO）的体系结构。对比不同结构的晶胞总能,发现Zr在掺杂体系中不会形成杂质凝聚物。分析中性O空位形成位点,发现O空位聚集在掺杂原子周围,故可通过掺杂来控制氧空位的生成位置。分析计算结果发现,含量为25%的Zr掺杂入Hf O2的介质具有k值最大、禁带宽度较大、缺陷形成能较高的优点,综合性能最佳。（3）通过使用密度泛函声子理论（DFPT）对不同浓度的Zr掺入单斜相、四方相、铁电相Hf O2中的亥姆霍兹自由能进行求解,分析体系生成铁电相的难易程度。结果表明37.5%～50%浓度的Zr掺入Hf O2可以得到较多的铁电相;且热力学稳定性分析表明,退火温度控制在650℃左右,铁电相更容易形成。进一步地,通过对极化率的分析表明,Zr浓度越高,铁电性越强。然而体系中氧缺陷对体系铁电性影响的研究表明,随着Zr浓度的升高,氧缺陷形成能有所降低,但降低幅值不大,对铁电性影响较弱。这为实验制备铁电HZO薄膜提供了有效的理论依据。