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阻变存储(RRAM)以其在存储密度和存储速度上的独特优势,被认为是颇具潜力的下一代非易失性存储技术。然而阻变的微观机制一直不明晰,这成为RRAM存储应用的主要障碍。本论文采用脉冲激光沉积技术(PLD)制备了SrTiO3(STO)基电阻开关薄膜材料,通过改变金属电极和引入介质层的方法,系统研究了阻变器件的电阻开关特性,及其在新原理器件中的应用。本论文主要内容包括以下几个方面：1. Au/STO/Ti存储器件的制备和电阻开关性能研究以STO薄膜为阻变材料,选取具有不同功函的金属Au(5.1eV)和Ti(4.3eV)作为上下电极制备了Au/STO/Ti结构的存储器件。电学特性研究表明,STO/Ti之间形成欧姆接触,而Au/STO之间为肖特基接触。在±2.5V的偏压范围内,存储器件表现出逆时针双极电阻开关行为,对I-V和C-V曲线的分析表明阻变源于Au/STO界面肖特基势垒宽度或高度的改变,该界面势垒的改变是由缺陷能级的电荷俘获/释放诱导的；在经历了负极性的电形成电压操作后,器件在同样的±2.5V偏压范围内呈现出顺时针双极电阻开关行为,电学特性分析表明该阻变源于氧空位迁移诱导的氧化还原反应。薄膜内缺陷分布的不同导致了这两种不同特征的双极电阻开关行为。2. Au/STO/Pt存储器件的电阻开关性能研究及其在实质蕴涵(IMP)逻辑运算中的应用(1)由于金属/氧化物界面对存储器件的开关特性有重要影响,选择高功函Pt(5.6eV)为下电极制备了Au/STO/Pt结构的存储器。XPS分析说明STO薄膜所含元素价态分别为Sr2+、Ti4+和O2-,并且有氧空位存在。存储器件的初始态表现出整流行为,在经历过负极性的电形成偏压(约-6～-8V)之后,器件表现出单极或双极性电阻开关行为,其开关极性依赖于电形成过程中所设限制电流的大小。当限制电流为1mA,器件表现出双极电阻开关行为；当限制电流为10mA,表现出单极开关行为,并且两种极性之间可以相互转换。该现象表明不同的限制电流,器件内部形成的缺陷不同。对I-V特性的分析表明双极电阻开关是由于Au/STO界面处肖特基势垒的变化引起的；而单极电阻开关是由于缺陷构成的导电丝的形成与破裂致使的。对器件的非易失性研究表明,单极开关的高、低阻态均具有很好的保持能力,两周时间之后电阻值仍无较大的改变,但双极开关的电阻态仅能保持几个小时。(2)IMP逻辑的研究还处于初始阶段,目前还未见单极忆阻器实现IMP“状态”逻辑的报道。本文选择具有单极开关特性的Au/STO/Pt器件为忆阻器构成了IMP逻辑电路,并通过理论模拟计算,探索IMP逻辑运算中电压、电流等参数设置的特点,以及逻辑运算的稳定性。该单极忆阻器具有较大的开关比值(大于1000),且在低阻态呈现线性Ⅰ-V关系,较小的调制因子(1.2)表明由于串联电阻(RG)的引入导致的开关比值的退偏非常弱,这证明IMP的可靠性被有效增强了。但单极开关阈值电压的离散性会影响IMP运算的重复性,计算表明通过选择合适的串联电阻(RG,500Ω)能减小阈值电压不稳定对IMP运算的影响；但彻底解决该问题,应优化忆阻器结构以使开关电压稳定在较小的范围内。3. Au/NiO/STO/Pt存储单元的电学性能研究界面势垒在电阻开关中起着重要作用,在金属/氧化物间插入非常薄的介质层将改变界面性质,进而影响存储器的电阻开关性质,所以本文采用PLD技术沉积了p-NiO/n-STO异质结,并制备了Au/NiO/STO/Pt结构的阻变存储器件。该器件的电学测试结果如下：(1)在电形成过程中设置较小的限制电流,由于界面势垒的存在,器件表现出双极电阻开关行为,并且他们的回线方向可以在顺时针和逆时针间可逆转换；通过对I-V曲线的拟合发现,高阻态和低阻态分别对应肖特基整流和隧穿机制,进一步分析表明,逆时针(顺时针)双极开关是由于NiO/STO上界面处p-n结势垒(STO/Pt下界面肖特基势垒)的改变引起的,该界面势磊的改变由电荷诱捕效应导致。(2)在电形成过程中若设置较大的限制电流(10mA),界面势垒消失,器件表现单极电阻开关行为；负偏压下,单极开关能反复切换,但正偏压下,开关仅重复约4-7个周期便消失。其原因是不同极性的偏压驱使氧空位向相反方向移动,使得开关发生的位置随之上下移动。负偏压时,由缺陷组成的导电细丝断开和复合的位置在STO薄膜内；正偏压下,导电细丝的断开位置向NiO/STO上界面移动,同时氧离子将NiO薄膜中的Ni导电丝氧化,致使开关现象消失。