纳米材料与外场的相互作用有望展现出全新的物理、化学特性，这为新材料的研发和器件的设计提供了新的思路和手段。本论文通过阳极氧化法制备出高度有序、尺寸均匀的TiO₂纳米管阵列（TiO₂nanobube array, TNA），在纳米结构合成和性能研究过程中引入光场、磁场和电场等外场，成功设计并制备出基于TiO₂纳米管阵列的高性能纳米结构器件，系统研究了外场条件、材料结构和性能之间的影响关系，并对其物理机制进行了探讨和分析。本论文分别通过阳极氧化法和气相沉积法制备了TiO₂纳米管阵列和双壁碳纳米管（double-walled carbon nanotube, DWCNT）薄膜，设计并制备出基于DWCNTfilm/TNA异质结的新型光探测器，该器件从紫外到可见光区域均有显著的光响应，克服了传统结构TiO₂薄膜光探测器的不足。并且研究了纳米管长度变化对器件光电性能的影响，通过优化纳米管长度，不仅可以有效提高器件的可见光响应性能，而且将器件的光探测范围进一步扩展到近红外。采用化学浴沉积法制备Cu₂O纳米颗粒（NP）薄膜，设计并制备出DWCNTfilm/Cu₂O NP film/TNA异质结光探测器，发现Cu₂O纳米颗粒不仅显著降低器件的暗电流，而且提高了对可见光的吸收效率。此外，构成异质结材料的能级很好地匹配，有助于光生载流子的分离。从而使得该器件光电性能较DWCNT film/TNA异质结器件显著提高。施加强磁场作用于TiO₂纳米管退火过程中，通过分析在不同磁场条件下TiO₂纳米管的结构和光致发光性能的变化规律，发现强磁场显著影响TiO₂纳米管的晶粒尺寸和可见光发光强度，但对TiO₂纳米管的晶体取向影响不大。通过调控磁场强度和方向，TiO₂纳米管阵列可见光光致发光性能大幅度增强。本论文设计并制备出以锐钛矿和非晶态两种晶体结构的TiO₂纳米管阵列为基础的阻变存储器，其阻变特性与传统薄膜阻变存储器存在明显区别。研究表明Ag/TNA（锐钛矿）/Ti器件的阻变特性来源于受氧空位迁移形成的TiO₂-x导电细丝控制的，而Ag/TNA（非晶态）/Ti器件低阻态时由Ag导电细丝和氧空位迁移导致的TiO₂-x导电细丝共同组成了连通顶电极和底电极之间的导电通路。