智能产品不断更迭换代致使人们对存储器的性能要求也越来越高,传统的存储器已经不能满足人们的需求。为此,各种新型存储器便应运而生。其中,阻变存储器因其结构简单、擦写速度快、功耗低、兼容传统CMOS工艺,引起了人们的广泛关注。但因阻变层和电极较厚的问题没有得到有效解决,目前RRAM的体积并没有被明显缩小,人们对RRAM的超低功耗和超高集成度的研究也比较少。石墨烯因其卓越的性能越来越受到人们的青睐,并且在RRAM中的应用也越来越多。其中,石墨烯/NiO/石墨烯结构的RRAM被发现具有大幅缩小器件体积和大幅降低功耗的优点。但不同的石墨烯晶向与NiO形成的界面是否会影响RRAM器件的性能,以及哪一晶面的石墨烯与氧化镍结合最好,人们尚不清楚。因此本文从微观层次利用第一性原理的手段探讨不同晶面石墨烯与NiO结合后的特性及不同晶面的石墨烯对阻变特性的影响,从而找出比较理想的石墨烯晶相。为此,通过第一原理研究了用于构造RRAM器件的六种石墨烯/NiO界面,即通过切面区分的扶手型石墨烯(aGNR)和两种锯齿形石墨烯(zGNR,zGNRl)分别与单层和双层NiO构成的六种石墨烯/Ni0<001>界面复合结构。首先,通过CASTEP软件计算了六种界面结构体系的Mulliken布局分析差值、平均值,以及界面能和结合能。发现aGNR/NiO界面结构布局分析平均值和结合能比其他界面要高,说明aGNR与NiO结合的比其他界面要紧密。而且,aGNR/NiO界面结构的界面能和Mulliken布局分析差值也是最小的,说明aGNR/NiO界面结构形成时畸变最小,所用能量最少,最容易形成。通过对各个界面结构优化后的结果和电子密度,电荷密度差及局域态密度(LDOS)分析对比发现,石墨烯/NiO界面过大的畸变会导致界面的形成变得更加困难,并且会导致界面处悬挂键的产生,进而导致界面处C-O键C-Ni键布局数平均值变小,两种材料的结合不够紧密,界面结构体系的稳定性变差。而aGNR/NiO界面处强大的共价键是其界面稳定的重要保证。并且,界面处的C-O键Mulliken布居数值较高,具有较强的共价键特性,对界面的稳定性有很大的促进作用。然后,通过分析对比各个石墨烯/NiO/石墨烯器件结构的Ⅳ曲线,发现基于aGNR/NiO/aGNR的RRAM器件模型具有低功耗的优点,是比较理想的石墨烯/NiO/石墨烯结构。通过DFTB+分子动力学模拟分析了石墨烯/NiO/石墨烯结构RRAM的阻变机制。发现基于石墨烯/NiO/石墨烯结构的RRAM高低阻态变化是在NiO阻变层中由Ni形成的导电细丝的连通和熔断导致的。并发现低阻态时aGNR/NiO/aGNR结构用于形成导电细丝的Ni原子数目比其他类型的石墨烯/NiO/石墨烯结构数量要少,这导致了此结构的低功耗。而扶手型石墨烯表面出较大的C与C原子的间距和界面处紧密的C-O键限制了由Ni组成的导电细丝变粗,有效降低了用于形成导电细丝的Ni原子数目。最后通过对基于aGNR/NiO/aGNR结构加宽和掺O进一步研究了aGNR/NiO/aGNR器件结构的性能特点。通过对aGNR/NiO/aGNR加宽后研究发现,随着器件宽度的增加,其高阻态电阻值逐渐减小,其低阻态电阻值也逐渐减小。但是随着器件宽度增加到一定程度(约为1:1时),低阻态电阻值将保持稳定。随着器件宽度增加,高低阻态的比值会不断减小,表明高低组态的电阻值差距在不断缩小,器件就会变得更容易误读。所以器件宽度不宜过大,应保持合理的长宽比。通过在石墨烯和NiO界面处掺杂发现,由于掺入Ni后,器件稳定性会出现大幅下降的趋势,不能形成稳定的石墨烯/NiO界面,所以对于器件的电学特性的研究只考虑在界面处掺O的情况。通过研究发现,界面处掺入O有利于器件功耗的降低,但会导致其高阻态与低阻态的比值不断下降,掺入过多的O在工作时有发生误读的风险。总之,这篇文章的研究结果对于提高基于石墨烯/NiO/石墨烯结构RRAM的性能提供了新的研究方法,对于相关的实验研究提供了一定的理论指导。