目前大数据时代已经来临,人们对移动电子器件便捷、高速、可携带的需求日益增长,因此非易失性存储器已被越来越多的学者所关注。传统的非易失性存储器,在技术和物理方面受到了一些限制和挑战,如:开关电压高、写入速度低、耐疲劳性差等问题。为了解决上述问题,科学家将目光转向新原理的非易失性存储器,其中忆阻器因具有简单的三明治结构,和开关速度快、存储密度大、功耗低等优点引起人们的广泛关注。然而,忆阻器的发展也面临着一些障碍:首先,忆阻器的开关电压呈现出非常宽泛的分布,影响了忆阻器在读写过程的实际应用,因此解决忆阻器开关电压弥散性问题变得尤为重要。此外,忆阻器因电导连续可以实现神经仿生,减少忆阻器在学习过程的迭代次数以及克服忆阻器在集成电路中寄生电流的问题也是当今亟待解决的热点。因此针对上述的几方面问题,本文研究了采用不同量子点材料改善Ga₂O₃薄膜忆阻器性能,并详细分析了相应的物理机制,还研究了基于Ga₂O₃薄膜的阈值开关器件,具体内容如下:一、利用量子点增强局域电场效应,采用自组装PbS量子点改善开关弥散性。通过磁控溅射技术在Pt衬底上,利用Ga₂O₃薄膜和硫化铅量子点（PbS quantum dots,PbS QDs）制备了三种结构的双极型忆阻器件,即:Ag/Ga₂O₃/Pt（I器件）、Ag/Ga₂O₃/PbS QDs（旋涂）/Pt（II器件）和Ag/Ga₂O₃/PbS QDs（滴涂）/Pt（III器件）。对比了三种器件的电学特性并分析了器件的导电机制、研究了器件的神经仿生特性。通过对比得出在这三种类型的器件中III器件显示出最佳的电学性能:响应速度达到5.3 ns,高低阻比值10⁶,开关次数达到10⁹次,在实验的角度上有力的证明了引入量子点后对器件的优化作用。同时本文对这种性能的上的增强做出了物理机制分析,利用PbS QDs在器件中使得量子点周围局域电场增强,引导导电细丝的生长方向。此外,可以通过改变脉冲参数来连续调谐III器件的电导,从而为时间依赖可塑性（STDP）提供了重要的基础。二、采用碳量子点的局域电场增强效应,改善器件的开关弥散性。制备Pd/CQDs/Ga₂O₃/Pt（CMD）和Pd/Ga₂O₃/Pt（PMD）结构器件。对比发现,CMD器件具有分布更均匀的开关电压、更稳定的保持力、更低功耗。CMD开关电压分布明显集中,开关电压的变化（δ）分别为1.76%和5%。另外CMD器件实现了重要的生物突触可塑性,如神经短期增强（short-term potentiation,STP）到长期增强（long-term plasticity,LTP）的行为被成功模拟,长期抑郁（long-term depression,LTD）行为也被模拟。此外,该忆阻器中成功地模拟了四种类型的STDP学习规则,并且成功地演示了巴甫洛夫联想学习和消亡行为。重要的是,该忆阻器的系统级模式识别能力是通过一个单层感知器模型来评估的,在这个模型中,经过250次的学习,数字的识别精度可以达到92.63%。通过对微观机制分析解释了CQDs的低扩散速率使忆阻器性能稳定,对生物突触的Ca²⁺动力学有很好的模拟作用。本文的研究结果表明了基于CQDs忆阻器在神经形态认知平台中的潜在应用。三、选通管可以减少集成电路中寄生电流影响的功能。忆阻器由于其结构简单,十分有利于半导体集成电路的三维集成。然而由于器件电阻之间的寄生电流的影响,尤其是在三维阵列集成过程中低阻状态器件之间的互相影响,增加了整个电路芯片的功耗,甚至增加了在数据读取时候对固定忆阻器状态误读的可能。本文研究了一个Ag/MoS₂QDs/Ga₂O₃/Ag单向量子点选通管,具有高选择性10⁶、陡开斜率<2 mV/dec、开关电压集中的特点。该选通管已被实验性地堆叠在Ag/Ga₂O₃/Pt忆阻器上,以集成1S1R单元,从而能够实现解决减少寄生电流影响的功能。