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受人类视觉系统的启发,神经形态视觉系统被认为非常有潜力来模拟实现生物视觉功能。但是,传统视觉系统的图像传感器和记忆处理单元是分离的,因此会导致在构建复杂电路模型中面临集成困难、功耗较大等严峻的挑战。随着对神经形态视觉系统的不断探索,基于忆阻器的仿生器件有望成为非常有前途的候选者,因为忆阻器利用其自身的电导可调性,不仅在电学刺激和光学刺激下均能够产生电导变化,而且根据电导的变化可以用来分析接收到的信息并进一步记忆和处理。因此,用于神经形态视觉系统中的原型器件:人工视网膜、人工突触、人工神经元的研究显得尤为重要。但是目前光调控忆阻器件还存在结构复杂、调控性能不稳定、不易于集成的缺点;神经突触器件还存在苛刻环境下不耐受、开关电压弥散,电导调控性能不稳定等亟待解决的问题;利用忆阻器构建人工神经元电路模型过于复杂的问题。本论文拟从基于忆阻器的感光型视网膜、神经调控突触、神经元这三方面神经形态视觉系统忆阻器原型器件着手,通过结构工程、表面工程、电极工程等技术手段改善忆阻器的性能,并研究忆阻器在神经形态系统中的物理机制与应用。主要研究内容如下:1、人工视网膜研究:具有光电可调控的感知器件及其阵列的构建。采用溶胶-凝胶法在导电衬底Nb:Sr Ti O3（NSTO）上制备高质量的外延Pb(Zr0.4Ti0.6)O3（PZT）薄膜作为人工视网膜器件的功能层,形成PZT/NSTO异质结忆阻器。X射线衍射（（X-ray diffraction,XRD）结果展示了PZT薄膜的结晶情况,表明PZT薄膜（取向为001）在衬底上外延生长。铁电性测试显示器件具有较大的剩余极化强度（约84μC/cm~2）,进一步表明PZT薄膜的结晶质量非常好。该器件的电学性能可以通过光和电调控,对其施加不同光强刺激配合电脉冲,研究器件的光电突触特性。最后,利用该器件构建7×7光电忆阻器阵列,通过光电刺激诱导器件电导变化来模拟俄罗斯方块游戏中的“下降”和“消除”功能,还研究了光电可控的布尔逻辑运算的可行性,验证了“与”和“或”逻辑门阵列级的运算。2、人工突触器件:从结构、表面和电极方面提升忆阻器电导调控性能使之更有利于模拟神经突触。a）结构工程:叠层氧化物结构提升人工突触的神经调控特性。Ta2O5-x是一种具有良好的化学稳定性、低泄漏电流、高击穿场强和高开关耐久性的介质层。Al2O3电介质膜具有大的带隙,因此它是高度绝缘的,所以可以用作器件中的隧道屏障。为了优化器件的集中性和耐久性,在开关层和底部电极层之间插入了Al2O3层,制备了Ta2O5-x/Al2O3叠层氧化物忆阻器,并且器件显示了优良的阻变性能。器件在Cs137γ射线辐照条件下的性能与未辐照器件相比,不仅没有受到破坏而且稳定性增强,并对该现象进行详细的元素分析和机理研究。同时,在不锈钢衬底上制备同样结构的器件,研究发现该器件在弯曲和拉伸条件下也有良好的耐受性。在此基础之上,器件模拟了生物突触典型的学习和记忆行为,如短期学习到长期学习,学习遗忘再学习过程。b)表面工程:通过表面重构策略增强生物材料忆阻器人工突触性能。蚕丝蛋白材料具有生物材料经典的互溶性和环保性,更重要的是可调控的表面形貌能够提升器件的人工突触可塑性。利用蛋白质表面重建策略获得了一种易于操作的均匀多孔的丝素蛋白（Porous Silk Fibroin,p-SF）忆阻器。原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）结果显示,通过改变牛血清纳米粒子的密度可以有效调控孔径的大小。随着孔径大小的调控,掺杂牛血清纳米粒子浓度为20%的混合溶液形成的多孔蚕丝薄膜器件获得了非常良好的性能,包括均匀的I–V循环、集中的开关电压和高低电阻分布。用经典密度泛函理论的三维模拟证实了孔径周围电势分布,纳米孔银尖端处的电势明显强于SF上分布的电势。这说明离子和电子扩散路径的空间分离:Ag+离子优先通过孔扩散,电子通过SF网络,这种空间分离传输会导致更高的总传导率,从而引导导电细丝的方向。器件电导可以通过正负电压进行双向渐变调制,该特性可以来模拟实现生物突触的短期和长期可塑性、三重态尖峰时间依赖可塑性（Triplet-STDP）规则,还可用于生物系统的模式识别。通过软件进行图像识别模拟仿真,这种忆阻器网络有高达95.78%的识别精度。c)电极工程:利用合金电极工程提升忆阻器人工突触的性能。制备了不同比例Ag-Cu组分的合金电极,并比较了不同比例合金电极器件的基本电学特性,得出Ag-Cu合金电极的最佳组分比例（63:37）。该比例电极的器件具有更低的Forming电压和开关电压、更好的开关电压分布均匀性、更快的响应速度和更低的功耗。利用合金电极耦合效应分析了合金电极器件相比较单质电极器件性能明显提升的原因。此外,利用改变脉冲电压参数使器件电导逐渐变化的特性进行了各种突触模拟,包括尖峰速率依赖可塑性（Spike-rate-dependent plasticity,SRDP）、双脉冲易化（Paired pulse facilitation,PPF）、强直后增强（Post-tetanic potentiation,PTP）和尖峰时间依赖可塑性（Spike timing-dependent plasticity,STDP）,并且在不使用复杂的外部电路的情况下能够实现巴甫洛夫的狗实验和心理学实验厌恶疗法的联想学习过程。3、人工神经元研究:基于电容耦合忆阻器人工神经元研究。利用复杂氧化物Ba0.6Sr0.4Ti O3（BST）与Ce O2复合薄膜制备了结构为Pt/La0.5Sr0.5Co O3（LSCO）/BST:Ce O2/LSCO的器件。研究发现,器件的I-V曲线可以在电压控制下从电容特性到电容耦合忆阻特性再到纯忆阻特性发生变化。根据器件这种电压控制I-V特性之间转换的性能,首先研究了单个器件的纯忆阻器特性,发现该器件能够对生物突触功能进行很好的模拟,然后对脉冲电压控制特性之间的转换做了统计分析,这为器件模拟神经元需要施加的脉冲参数提供了选择的依据。选择合适的参数构建了神经元电路,利用器件的电容耦合忆阻特性模拟了生物动作电位,成功完成了基于电容耦合忆阻器的泄漏、集成与触发功能,并且该神经元模型能成功模拟生物神经元传输过程。