在半导体集成电路的飞速发展中,金属-氧化物-半导体晶体管(MOSFET)的尺寸缩小遵循着摩尔定律(Moore’s Law)。当到达45nm和32nm技术节点时,新一代金属/高K介质结构替代传统的多晶硅/Si02结构已成为事实。对金属栅材料的主要要求之一是具有合适的功函数。金属栅极功函数是金属/高K介质栅结构中最重要的参数之一,它影响器件的平带电压,决定MOSFET器件的阈值电压,从而决定器件的驱动性能。金属栅极功函数与诸多因素相关,不仅和栅极材料有关,而且与金属和高K介质之间的界面特性密切相关。界面化学成分、界面原子成键结构、界面缺陷、金属多晶纳米颗粒的晶向等都可能对金属栅极功函数产生大的影响。目前,对各个影响因素对功函数的影响机理还未作出全面深入的解释。在MOSFET器件当前和未来的发展中,如何有效地调控金属/高K介质栅结构的功函数仍然是一项挑战,也是一个重要课题。本论文基于第一性原理计算方法,研究了表面磁性组态、外加电场、应变、界面本征原子替位式掺杂和界面原子空位对金属栅极功函数的影响。主要研究结果如下：(1)对磁性金属栅极Cr/Fe(001)和C吸附Cr/Fe(001)体系的研究发现表面磁性组态对功函数有着重要的影响。不同C覆盖度的体系,Cr与Fe原子磁矩呈反平行态的功函数都比呈平行态的功函数小。C原子吸附使Cr/Fe(001)表面结构发生了较大的变化,导致功函数也发生了较大的变化。对Cr/Ni(111),Cr/Ni(100)和Cr/Ni(110)三个磁性表面体系的研究再次证明了表面磁性组态对体系功函数有着重要的影响。结果还发现表面取向对体系功函数也有着重要的影响。我们的研究结果指出了改变磁性金属的表面磁性组态可能是一种调节金属功函数的可行的新方法。(2)对金属Ni(001)、Ni(111)薄层和高K介质HfO2(001)、HfO2(111)薄层的功函数及由它们组成的Ni(001)/HfO2(001)、Ni(111)/HfO2(111)界面体系有效功函数对外加电场的响应的研究发现,功函数都随外加电场强度呈线性变化。比较Ni、HfO2薄层和Ni/HfO2界面体系的功函数变化随外加电场强度的变化关系的斜率,发现Ni/HfO2界面体系有效功函数对外加电场的响应主要由Hf02电介质一侧对外加电场的响应决定。(3)研究了界面处存在不同化学缺陷(本征原子替位式掺杂和原子空位)的Ni/HfO2金属栅结构体系的稳定性和功函数。结果发现,①在Ni与HfO2结合形成Ni/HfO2界面时,O-Ni离子键结合形式优于Hf-Ni金属键结合形式。在O-Ni界面的形成过程中,少量O空位容易自发形成于O-Ni界面层,尤其是在富氧条件下。在Hf-Ni界面体系的界面层中容易出现Hf位而不容易存在Ni空位。②有效功函数强烈地依赖于界面微结构；对Hf-Ni体系,Ni原子替位界面层的Hf原子将使功函数增加,功函数对界面Hf空位很敏感,Hf空位使功函数升高,而对界面Ni空位不敏感；对O-Ni体系,界面O原子空位导致功函数下降。③有效功函数的变化量正比于界面偶极密度的变化量。我们从离子价态和局域态角度定性地分析和解释界面的本征原子替位式掺杂和原子空位如何影响有效功函数。研究结果表明了控制界面的本征原子替位式掺杂和原子空位(界面粗糙度)是调节Ni/HfO2界面有效功函数的一种有效的方法。(4)研究发现应变对Ni/HfO2金属栅结构功函数也产生了较大的影响。界面的功函数强烈地依赖于界面的结合类型和所受的应变模式；功函数的变化量随着应变量的增加线性地增大。研究结果表明了控制界面界面微结构和应变可以有效地调节Ni/HfO2的有效功函数。