传统flash存储器即将到达其物理极限,阻变存储器是极具潜力的新型存储器候选者,是目前研究的一个热点。但阻变存储器的物理机制一直未能很好的理解,这大大影响了它的改进和应用。在本文中,我们利用射频磁控溅射方法,制备了NiO和Al₂O₃基阻变存储器,深入研究了它们的单极型和双极型电阻开关效应的特性,并对诡线和参数离散性问题的解决进行了探索。利用第一性原理计算方法,研究了缺陷电荷态对氧空位导电细丝形成的影响。具体工作概括如下:一、在Pt-Ir/NiO/TiB器件中观测到了单极型和双极型电阻开关效应共存的现象,NiO的单极型和双极型电阻开关效应均由氧空位导电细丝的形成和破裂引起。本器件电阻开关效应的类型由设置电压的极性控制,而不受限制电流的影响。研究还发现,导电细丝的性质也具有设置电压的极性依赖性,器件反向设置电压的幅度小于正向设置电压的幅度,这些归因于电击穿的物理机制及其对导电细丝生长的影响。在Pt-Ir/NiO/n-Si器件中,我们发现了单极型、双极型阻变效应和自整流效应共存现象。器件的自整流现象来源于导电细丝和n-Si的肖特基接触。二、制备并研究了Pt-Ir/Al₂O₃/TiB的阻变机制。在本器件单极型和双极型阻变效应共存的基础上,我们研究了设置电压对开关特性的影响。该器件的阻变开关效应的类型由设置电压的幅度和极性共同确定。只有较小的反向设置电压才会导致器件的双极型电阻开关效应。在本器件中存在两种设置电压的极性依赖性,这来源于不同的电击穿物理机制。器件低阻态的阻值随正向设置电压的增大而降低,而对反向设置电压却有较复杂的依赖关系。研究还发现导电细丝的性质取决于电击穿的机制和设置电压的极性。三、利用第一性原理计算方法研究了NiO和MgO中导电细丝的电子性质和电荷态对氧空位导电细丝的生长的影响。研究发现,MgO和NiO中导电细丝的内聚能随氧空位电荷态的变化而变化,MgO中氧空位链呈现半导体性质,而NiO中氧空位链则呈现金属特性。计算结果能很好的解释已报道的实验现象。