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近年来,随着大数据驱动的人工智能时代的迅猛发展,对存储器和处理器的性能要求越来越高。然而随着经典摩尔定律微缩速度日渐减缓,信息技术行业所面临的挑战日益严峻。在未来市场需求的推动下,急需寻找新材料作为存储器领域的新生力量,全面提升存储器的性能。同时,目前基于忆阻器的类脑神经网络计算也有望打破摩尔定律的壁垒,为实现高效率、低功耗的数据处理提供必要条件。铋系多铁性钙钛矿氧化物作为无铅环境友好型材料,不仅在铁电性、铁磁性等方面具有优异的性能,而且在应力、光照等外场的作用下也表现出丰富的物理特性和新颖的实验现象,因此在下一代新型非易失性存储器和忆阻器的研究中具有广阔的前景。其中,BiFeO3（BFO）作为为数不多在室温下同时具有稳定的铁电性和磁性的多铁材料之一,已经引起了研究者极大的兴趣。而BiMnO3（BMO）作为钙钛矿过渡金属氧化物中一种具有强铁磁性的绝缘体,其结构的多样性和铁电性的研究也是研究者长期关注的焦点。本文以BFO和BMO为研究对象,围绕其丰富的物理特性深入研究,发掘其在新型非易失性存储器和忆阻器方面的潜在应用。主要包括以下三部分内容:1.BMO外延薄膜的制备及其物性研究长久以来,BMO的铁电性一直存在着争议。其中一个很重要的原因是无法获得纯单斜相BMO外延薄膜,只能在较厚的样品中与伪立方相共存。因此,没有办法准确系统地揭示应变BMO薄膜中晶体结构演变与铁电性之间的关联。我们提供了一种可控的途径来获得稳定的不同结构BMO薄膜,并验证了BMO薄膜中结构依赖的铁电性。本文利用SrRuO3（SRO）作为缓冲层有效地降低BMO薄膜与STO衬底之间的晶格失配度,并且随着BMO薄膜厚度的增加,通过高分辨透射电子显微镜可以发现BMO晶体结构由伪立方相向纯单斜相转变。结合压电力显微镜测试和密度泛函理论计算结果表明伪立方相BMO薄膜具有室温铁电性,而单斜相没有铁电性或者具有弱铁电性。这项研究很好地解释了BMO薄膜中有争议的铁电性问题,为获得BMO薄膜中稳定的铁电性提供了可控的途径,这对研究BMO中磁电耦合效应至关重要。此外,我们也表征了BMO薄膜的强铁磁性。并在阻变特性研究中,发现了BMO薄膜基于氧空位的忆阻特性,为钙钛矿过渡金属氧化物作为人工类脑神经突触的研究提供了新的方向。2.BFO铁电忆阻器模拟突触功能的研究受材料特性的影响,大多数忆阻器很难在极低或极高的温度条件下模拟突触功能,限制了忆阻器在恶劣环境中的应用。由于BFO外延薄膜具有稳定的高温铁电性（>500℃）,在-170℃到300℃超宽温度范围内BFO铁电忆阻器不仅表现出优异的阻变特性而且成功模拟了生物突触的主要功能,包括长时程增强、长时程抑制、连续增强抑制和尖峰时序依赖可塑性。通过电阻变化和铁电极化反转的一致性,以及局部电流和畴结构的对应关系表明电学输运与铁电极化之间相互关联,其阻变特性来源于铁电极化对界面势垒的调控。这一研究为铁电忆阻器在极端温度条件下模拟生物突触功能提供了一种可行性方案。3.BFO异质结器件中光致阻变效应的研究在ITO/BFO/SRO器件中,我们观察到一种基于负光电导效应的非易失阻变特性。与传统光激发导致器件电导增大相反,BFO异质结器件在405nm、532nm和1064nm激光照射后,电导值显著降低。并且这种负光电存储器需要光信号复位和电信号置位。通过不同氧分压的退火实验、导电机制拟合和电容测试,确定阻变特性来源于ITO/BFO界面处氧空位中电子的捕获和释放对势垒的调控。这种BFO光电存储器具有非常独特的优势,比如“光擦/电写”可逆操作,宽波段吸收,巨大的开关比（>104）和非易失性信息存储,在多功能电子领域具有良好的应用前景,比如非易失性存储器和视觉神经系统。