当今世界，科技发展日新月异，随着半导体集成电路技术的发展，电子产品市场也是种类繁多，其发展速度更是达到或超过了“摩尔定律”。但传统的基于浮栅结构的存储器则遇到了严重的技术瓶颈，因此具有完全不同存储机制的新型非挥发性存储器的研究就变得日益紧迫。目前被发现并且广泛研究的新型非挥发性存储器主要有铁电存储器（FeRAM）、磁存储器（MRAM）、相变存储器(PRAM)和阻变存储器（RRAM），其中的阻变存储器更是由于结构简单、功耗低、可缩小性好、操作速度快等优良性能，成为国内外存储领域的研究热点。　　阻变存储器，是一种利用阻变材料在外加不同偏置电压下阻值在高低阻值两种状态下切换的阻变现象来进行数据存储的新型存储器件。目前发现的能够产生阻变现象的材料众多，具体的存储机理也是模糊不清，因此虽然阻变存储器的存储性能出众，但想要真正的量产并投入市场仍然需要很多细致的研究。在所有的存储材料当中，过渡态金属氧化物的成分清楚、结构简单并且与传统的CMOS工艺兼容性好，因此被认为是阻变存储器的主选材料之一。另外，不同于其他的阻变材料的复杂阻变机制效应，现在的很多实验和理论研究表明，过渡态金属氧化物的阻变机制主要是由氧空位或金属离子缺陷形成的局域导电细丝主导的，但具体的形成机理以及与器件宏观性能的联系仍然不明确。　　本文选取ZrO2作为阻变材料进行阻变机制理论研究，由于传统的阻变实验研究条件苛刻、成本巨大，因此本文的研究工作主要是基于第一性原理和密度泛函理论的模拟计算。文中我们首先就ZrO2的不同晶型进行介绍，并选取了适合于应用的低温型的单斜晶型ZrO2。在Materials Studio软件的CASTEP模块当中进行模型建立，并在服务器上进行大规模的电子自洽运算，得出并分析纯净单斜晶ZrO2的一些电学特性，包括能量、能带和态密度等。为了探讨ZrO2中的具体的导电细丝模型，我们分别就氧空位和离子掺杂两种缺陷进行了详细的能量及电学特性计算，并引入了缺陷形成能的概念。通过形成能来阐述缺陷的形成难易程度，解释了形成能大小与宏观器件的操作电压等性能的联系。另外，通过研究两种缺陷共存体系的相互作用，来阐述在两种缺陷都存在的ZrO2中，具体是何种缺陷主导导电细丝的形成和破裂。　　在本文的第四章当中，我们就Ti掺杂下ZrO2的阻变机制进行研究，阐述了Ti掺杂能够改善ZrO2阻变性能的原因。具体来说，首先阐述了Ti掺杂下ZrO2阻变性能的提升与Ti掺杂氧空位形成能并无改善的矛盾，创造性的提出了相邻双Ti掺杂的可能局域阻变单元。接下来，具体就相邻双Ti掺杂可能模型进行细化，并对氧空位的形成能及移动进行详细的计算分析，提出了Ti-Vo3-Ti局域导电通道的猜想。为了验证这样的猜测，分别就缺陷体系的整体结合能、电子局域函数以及Ti的部分态密度进行了计算分析。总的来说，Ti离子的掺杂改变了ZrO2的局域特性，使得ZrO2阻变存储器的存储机制从一般的氧空位主导阻变细丝形成，转变为氧空位辅助Ti离子形成导电细丝。