基于冯·诺依曼架构的计算机由于处理器和存储器的物理分离,大量数据在二者之间的传输产生时间延迟和巨大的能耗。在过去几十年,处理器性能按照摩尔定律飞速发展,相比之下,发展滞后的存储器性能成为制约冯·诺依曼计算机计算能力的巨大瓶颈,即“存储墙”（Memory wall）难题。解决“存储墙”难题的有效措施在于发展基于新结构和新机制的高速存储器件。近些年来,基于新型异质结的浮栅存储器往往存在工作电压高或者响应速度慢以及存储时间短等问题,限制了其在实际CMOS电路的兼容性。为了推动新型高速存储器的发展,亟需开发一种兼具低工作电压、快速响应和长存储时间的存储器,以拓展下一代电子元件的革新。本论文通过电荷直接注入的工作机制开发出两种高速非易失性存储器。我们首先构筑了一种二硫化钼（Mo S2）/六方氮化硼（h BN）/石墨炔（GDY）/石墨烯（Gr）结构的非对称型高速非易失性存储器,不同于浮栅存储器中电荷隧穿的工作机制,该器件中电荷直接通过石墨烯注入到石墨炔中,因此器件具有超快的写入速度（8 ns）和超低的写入电压（30 m V）。同时,得益于石墨炔优异的电荷捕获能力以及石墨烯/石墨炔异质结的能带弯曲,注入的电荷能够长时间束缚在石墨炔中,从而使器件具有长的存储时间（＞10~4 s）。上述器件结构虽然具有超快的写入速度和超低的工作电压,但由于石墨炔/石墨烯异质结的能带结构不利于电子的注入,因此器件的擦除过程需要微秒量级的时间,表现出非对称的写入/擦除速度。为实现真正意义的高速非易失性存储,我们进一步改进了器件结构,构筑了一种基于Mo S2/h BN/Mo S2/氧化石墨炔（GDYO）/WSe2异质结的对称型高速非易失性存储器。在该器件中,我们首次提出采用阈值转换型忆阻材料（GDYO）控制电荷向浮栅注入的工作机制。由于阈值转换型忆阻器可在纳秒脉冲下快速开启,撤去电压后自发关闭,使得该器件具有对称的纳秒量级写入和擦除速度（20 ns）、低的工作电压（2 V）和超长的存储时间（10年）。与近期报道的基于Fowler-Nordheim（F-N）隧穿机制的高速非易失性存储器相比,该器件的工作电压降低了一个数量级,能够显著地降低器件的热效应和能耗,提高器件在CMOS中的兼容性。此外,该器件可在纳秒量级的脉冲下实现多位存储（3-bit）,提高了存储器的数据存储密度。本论文所提出的基于电荷直接注入机制的高速非易失性存储器具有工作电压低、响应速度快、存储时间长等优势,为开发下一代高速超低能耗存储器件、突破“存储墙”难题提供了新的策略。