在大数据时代,脑启发的神经形态技术的进步极大的推动了边缘计算、物联网以及人工智能等技术的发展。在人脑中,突触和神经元是记忆和思维功能的基础,因此硬件实现模拟生物功能的人工突触和神经元是构建人工神经网络的关键。后摩尔时代传统CMOS器件即将达到其物理尺寸瓶颈,且缺乏内在的生物单元相似性,很难实现人脑单元的集成密度和能效,因此亟需开发高微缩性和内在动态特性丰富的新原理器件来实现突触和神经元功能。忆阻器作为一种新原理器件,具备丰富的物理动力学特性、简单的器件结构和优越的尺寸微缩能力,以忆阻器为基础的人工神经网络在类脑研究领域获得了广泛的关注。其中非易失性忆阻器（如,RRAM）具有电导可调的特性,已广泛用于模拟生物突触的可塑性功能;而易失性忆阻器在电流扫描下所呈现的负微分电阻行为则可用于构建纳米振荡器,以实现神经元发放尖峰脉冲信号的功能。在具有负微分电阻行为的多种过渡金属氧化物器件中,氧化铌阈值开关器件具有良好的稳定性和耐久性,是实现人工神经元功能的理想硬件单元,然而器件在实际应用时仍存在良率低、均一性差等问题。本文以氧化铌材料为基础,开展了器件性能优化、机理分析和建模仿真方面的研究工作,取得了如下成果:（1）氧化铌阈值开关器件的性能优化a.在Ti/NbOx/Pt器件结构中,我们通过改变溅射过程中的氧流量对NbOx薄膜中的氧含量进行调控,采用XPS的表征方法验证了氧流量对薄膜中氧缺陷和组分含量的影响。并根据电学测试结果,得到薄膜化学计量比对器件电铸电压、良率以及阈值开关行为的影响规律,系统的研究了氧流量对氧化铌组分和器件性能的影响。b.为进一步提高单层器件的电学稳定性,我们设计了具有叠层结构的Pt/Ti/NbOx/NbOy/Pt/Ti器件。电铸后器件的阈值转变良率在统计器件中达到100%。实验首次获得操作电压波动＜0.06%、器件间的CV＜1.2%,耐久性＞109的NbOx基阈值开关器件。与单层器件相比,叠层器件的稳定性、均一性和耐久性得到了极大提升。（2）氧化铌器件物理机制研究和建模分析采用变温拟合的方法研究了 NbOx器件在激活前后的物理导电机制,结合仿真软件建立了多种导电机制下器件的SPICE模型。在对模型准确性进行验证后,我们选择PF机制对测试过程中的常见现象进行了分析,讨论了器件在激活过程中和连续阈值操作下TS区域厚度变化对器件电阻状态和操作电压的影响规律,并结合叠层器件的实验结果分析了叠层器件高良率、高稳定性和高均一性的内在原因,为氧化铌器件的进一步优化提供了思路。