阻变存储器（RRAM）由于其较低的操作电压、良好的可延展性和耐受性等优点在嵌入式RRAM、独立式RRAM等领域应用广泛,因此,关于阻变机理的探索已经成为了RRAM研究的热点之一。近年来,人们对各种半导体材料的阻变现象进行了深入的研究,其中二氧化钛是最经典的电阻材料之一。随着国内外对多种材料阻变现象的研究日益深入,在阻变机制、逻辑电路等方面的研究已经取得了很大进展,如在阻变材料中引入氧空位或元素掺杂都可以极大地改善其性能。在TiO2基的RRAM器件中,氧空位（VO）对性能的改善起着至关重要的作用,因此可以通过控制氧空位的浓度来实现较宽范围的阻变。但是,对于具有氧空位团簇的TiO2的电子性能及其电阻转换机制还缺乏系统的研究。这些研究对于从根本上理解电阻变化以及调整或优化TiO2基阻变材料的阻变性能,是非常必要的。本文用第一性原理方法研究了金红石型TiO2中的氧空位对其电子性能和电阻开关性能的影响。第一,利用GGA方法及Hubbard U的校正来研究金红石型TiO2。对TiO2的各种参数和性能进行了测试,并与实验数据进行了比较。第二,用GGA+U方法深入研究具有单个氧空位的TiO2,在此过程中使用了不同的Hubbard U参数,并研究了U参数对特征能级的影响。结果表明,有效U为3 e V的计算结果,自洽地地解释了大量实验中所普遍观察到的特征能级。第三,使用有效U为3 e V的GGA+U方法,计算了TiO2中不同分布方式的两个、三个和四个氧空位的能带结构,并且系统地研究了各种氧空位浓度对TiO2电子结构和电阻性能的影响。研究发现:从能量学的角度来讲氧空位以VO-Ti-VO链的形式积聚在TiO2中,结构最为稳定。而且VO-Ti-VO链在TiO2的带隙内产生多个能级。TiO2在VO-Ti-VO链的作用下具有导电性,其电荷密度分析显示出具有连续的电荷分布,从而形成导电路径,有效地解释了导电机理。而其他的氧空位分布或构型则导致了孤立的电荷分布,使系统处于绝缘状态。上述氧空位构型和相关电导率反映了电阻随氧空位浓度和分布方式的变化而变化,合理地解释了含有氧空位TiO2的阻变机理。这项工作的结果为TiO2阻变机理提供了更深入的认识,对拓宽和优化TiO2基阻变材料和器件的应用具有重要的意义。