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存储器在现代信息社会中占有重要的地位。近年来，电阻式随机存储器(RRAM)以其结构简单、存储密度高、读写速度快等优势，在下一代非易失性存储器中脱颖而出，并已成为当前材料学、微电子学、物理学等研究领域的热点。电阻式随机存储器是由三明治结构的存储单元-金属电极/氧化物薄膜材料/金属电极(MOM)组成，利用存储单元在外加电场诱发的高低电阻态来实现信息存储的“0”和“1”。
目前，RRAM主要存在以下三方面的问题：(1)、电阻转变的基本物理机制仍不清楚；(2)、性能方面，存在较大的Forming电压、阻变参数比较分散、Reset电流过大等问题；(3)、三维交叉堆叠器件化后易引起交叉串扰的问题，即读取指定存储单元的数据时，流经周围存储单元的电流会严重的干扰读取信号。本论文针对上述RRAM研究的热点问题，以TiO2和ZnO电阻转变薄膜材料及其存储单元为研究对象，围绕薄膜制备、器件结构和阻变机理与性能等方面展开研究，论文主要工作分为以下四个部分：
1.设计制备出初始态具有整流特性的存储单元(Pt/TiO2/Pt)，并通过精确控制电压扫描过程，在Pt/TiO2/Pt存储单元中实现了稳定的单极性与双极性电阻转变的可逆调控，据此提出了主导单极性电阻转变的丝通道理论和主导双极性电阻转变的界面理论的统一模型。
2.将单晶二氧化钛纳米线阵列应用到RRAM中，系统研究了Pt/TiO2/FTO的结构存储单元初始态的整流特性和阻变特性，单晶TiO2纳米线阵列的这种特殊结构导致其电阻转变参数分布非常集中。
3.通过对Pt/ZnO/Pt结构和Al/ZnO/Pt结构存储单元电阻转变特性的系统研究，证实了初始态氧空位浓度是单极性电阻转变特性的决定性因素；在满足高低电阻比的前提下，通过控制初始态氧空位的浓度，可最大程度的降低Forming电压、Reset电流并使阻变参数的分布更加集中：Forming和Set过程对Al电极界面生成AlOx，致使氧空位丝通道丝通道(氧离子与氧空位覆合)较难断裂，因而产生负微分电阻的现象，负微分电阻现象是由于丝通道和界面处电极的氧化还原共同作用的结果。
4.通过引入氧化物电极(ITO)，在ITO/ZnO/Pt结构中实现了稳定的单稳态单极性电阻转变，在Pt/ZnO/Pt的结构中表现为稳定的双稳态单极性电阻转变特性，并将上述两种结构串联，制备ITO/ZnO/Pt/ZnO/Pt的叠层结构(其中ITO/ZnO/Pt为开关单元，Pt/ZnO/Pt为存储单元)，证实ITO/ZnO/Pt的开关单元能很好的抑制交叉串扰的问题。