近年来,随着互联网的迅猛发展,各个领域逐步进入信息时代,科研工作者致力于稳定、快速、小型化基础元器件方面的研究。忆阻器（Memristor）作为新型元器件之一,由蔡少棠教授在1971年第一次提出,许多科研工作者对其开展了广泛的研究。其中在存储器领域,阻变存储器（Resistance random access memory,RRAM）是其重要的应用研究。忆阻器因其本身易制备、结构简单,特别是在非易失神经形态计算以及其用于截止频率可调节的滤波器研究方面具有显著的优势。然而,阻变存储器在发展的过程中由于开关电压是随机分布的,为器件集成增加了难度。为了解决开关电压弥散性较大的问题,近几年来许多研究人员开展了许多工作。此外,通过使用忆阻器模拟人脑的行为来检验神经系统的生物学特性,尤其是在双脉冲易化（Paired-pulse facilitation,PPF）和脉冲时间依赖可塑性（Spiking-timing-dependent plasticity,STDP）等方面。同时,在电路应用中,忆阻器仍处于早期研究阶段。全文围绕忆阻器的性能提升重点针对忆阻器的电学特性和应用展开以下研究。一、为了改善忆阻器开关参数的弥散性,着重对不同尺寸的石墨烯氧化物量子点（Graphene oxide quantum dots,GOQDs）对器件性能的提升效果开展研究,通过对不同尺寸的GOQDs对比分析,结合Hf O2把不同尺寸的GOQDs旋涂在Pt衬底上,制备出基于不同目数的GOQDs的忆阻器件,根据测试并且进行对比分析发现100目的GOQDs的器件最为稳定,而且该器件可被正向打开和负向关闭,即具有可逆的双极电阻开关（Resistive switch,RS）行为。经过分析得出器件的开启电压和关闭电压(VSet/VReset)较低,为0.13/-0.14 V,进一步对开启和关闭电压进行统计并高斯拟合,表明该器件阈值电压范围非常集中,说明该器件具有较高的均一性。此外,器件的开关速度有很大的提升,可达7 ns/25 ns。最后还分析了器件的物理机制,由于嵌入了100目的GOQDs增强局域电场使得器件的电学特性得到全面提升,为忆阻器应用于突触仿生研究提供了重要的器件基础。二、电导连续可调节的新型忆阻器可以模拟神经突触权重的连续变化,这是忆阻器用于突触仿生研究的关键因素。利用Ag/Hf O2/100目GOQDs/Pt器件稳定性好、开关速度快、优良的保持能力等方面的优势,调整并且优化器件结构,经过分析后发现在器件当中嵌入了100目的GOQDs会使得器件的电学特性显著提升,基于此,研究并制备了Ag/Hf0.5Zr0.5O2（HZO）/Ag/HZO/Ag/HZO/GOQDs/Pt结构的新型忆阻器件,有趣的是该器件表现出了缓变型的开关行为。在低能量脉冲下测试后发现,该器件在调节线性电导率方面具有独特的优势,在设置脉冲振幅为1 V和脉冲宽度为120 ns的波形的条件下成功地实现了电导的双向调节。基于双向递进电导的控制,采用了新型的忆阻器来模拟生物学领域的突触功能,例如在PPF和STDP方面等。分析了器件的物理机制,结果表明,器件的隧穿机制和电化学金属化效应是连续、渐进控制该器件电导的重要因素,同时为进一步研究忆阻器件电路应用创造了有利条件。三、基于忆阻器突出的电学特性,创新性的探索了忆阻器的应用研究。并且针对以上讨论,重点研究了忆阻器在信息处理方面的应用,发现在数字识别、滤波应用方面有较大潜能,采用忆阻器作为数字识别技术,进行500次训练后实现了90.91%的准确率。同时将滤波电路设计成实物,实现了低通、高通和带通滤波应用。以高通滤波器为例实现了0.16-1.429 GHz的截止频率可调范围。这项工作为智能控制和人工智能中忆阻器的建立提供了新的基础,为进一步实现忆阻器在信息处理方面的应用提供了可能。