随着人类社会高速发展,爆炸式增长的海量信息需要超大容量的存储设备和高效的信息处理系统。传统硅基半导体芯片产业遵循着“摩尔定律”发展,其器件尺寸即将达到物理极限。忆阻器,作为与电阻、电容、电感并列的第四种基本无源电子器件,因其独特的非线性电学特性,可用于信息存储、逻辑运算以及神经形态计算,有望给半导体工业带来新的突破。本论文研究了基于两种二元金属氧化物WO3和MoO3的,具有薄膜结构和一维纳米结构的忆阻器件的阻变性能与机理,模拟了突触可塑性和再可塑性(Metaplasticity)等重要神经功能,主要研究内容如下:(1)采用磁控溅射技术,制备出了具有交叉线结构的Pt/WO3/Pt薄膜器件。该器件表现出完全易失性的双极性阻变和明显的负微分电阻效应。结合器件整流效应研究、导电机制拟合和等效电路分析,发现该双极性阻变源于顶电极Pt与WO3薄膜的界面态对电子的捕获与去捕获。(2)调整器件制备工艺参数,在电预处理后器件可实现多功能双极性阻变。电预处理时,观察到Pt/WO3/Pt薄膜器件产生气泡。此时器件内部有Magneli相形成。通过改变电刺激参数,实现了多种双极性阻变。其中,两种双极性阻变可以相互转换,可用于非常规多值存储;另外一种双极性阻变电阻态具有部分易失性,且在电脉冲作用下可以发生连续改变,这种性能可模拟生物突触的可塑性。通过系统的研究,发现这些双极性阻变和导电丝的形成与断裂、缺陷态对电子的捕获与去捕获、氧空位对肖特基势垒的调节有关。(3)阻变器件的失效研究有助于探索提高器件抗疲劳性的方法。针对Pt/W03/Pt双极性阻变器件,研究了器件的失效恢复方法。研究认为SET操作中过高脉冲会产生有序的氧空位紧密结构,致使器件失效。而恰当地恢复操作可以产生一定量的焦耳热,熔断该结构,从而使器件恢复工作。(4)利用Pt/W03/Pt忆阻器件,模拟了多种突触可塑性,包括短时程可塑性、长时程可塑性和活动时序依赖可塑性,并首次成功模拟了突触的再可塑性,系统研究了突触前和突触后脉冲对施加的顺序和时间间隔对活动时序依赖可塑性的影响。再可塑性是大脑神经网络自适应特性的基础,该研究能够为神经形态计算提供指导意义。(5)一维纳米材料由自底向上的方式合成,其理论尺寸可以很小,由此可制备高密度器件。本论文研究了基于一维纳米结构的Pt/WO3/Pt与Au/MoO3/Au阻变器件。采用水热法合成了 WO3纳米带和MoO3纳米带,结合光刻技术,制备出了基于一维纳米结构的忆阻器件。研究发现,WO3纳米带基器件表现出易失性双极性阻变,这可能源于缺陷态对电子的捕获与去捕获。MoO3纳米带基器件表现出单极性阻变性能,高低阻态阻值比达103,这种性能源于在电场和焦耳热作用下,位错或层错处MoO2的形成与熔断。