当今世界正处于数据爆炸式增长的信息时代,这对数据的高效存储、运算及传输提出了新的挑战。目前,信息存储技术面临着高密度集成、数据处理与传输速度发展不平衡这两大难题。忆阻器作为一种新型非易失性存储器件,具有功耗低、擦写速度快、可微缩性好以及易于三维集成等优势,因而备受业界关注。不仅如此,忆阻器还能够实现神经形态计算,对数据进行高速化、并行化的运算。忆阻器功能层材料种类多种多样,其中氧化铪（HfO2）因材料特性稳定可调、物理效应丰富并且与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容而成为了研究热点。同时,HfO2忆阻器还被认为是模拟生物突触的优秀候选器件。然而,HfO2忆阻器的一致性、稳定性、可靠性和电导调制的线性度需要得到进一步的提高,才能适应未来大规模的神经形态计算。目前已提出了多种优化HfO2忆阻器性能的方案,其中,掺杂是提高忆阻器性能的一种非常简单有效的方式。然而,由于对HfO2忆阻器的微观阻变机理认识不足,在掺杂元素的选择上缺乏理论指导。另一方面,目前Li掺杂忆阻器展现出了很好的电导调制特性,而且Li离子迁移势垒低、高度可逆,能够很好的模拟神经元信息传递过程。但Li离子及其同族元素掺杂器件的阻变机理研究同样匮乏。因此,为了深入理解HfO2忆阻器的微观阻变机理,探究碱金属和碱土金属掺杂对HfO2忆阻器性能的影响,本论文通过理论与实验相结合的方式,对其进行了深入研究,并得到了如下的研究成果:首先,基于第一性原理计算研究了HfO2中氧空位的形成、迁移以及聚集特性,结果表明HfO2中氧空位在各个方向上较小的迁移势垒导致了忆阻器件较差的稳定性和保持特性。另一方面,本文通过建立全配比范围的HfOx结构模型,分析了不同氧含量下HfOx的晶体结构以及结构之间的转换关系,同时分析了不同结构的导电特性。结果表明,单斜相HfOx和四方相HfOx结构的导电细丝能够实现电导连续调制,但其结构难以维持,会坍缩形成h-Hf6O结构。而h-Hf6O结构一旦形成,器件将展现出明显的二值特性。这从理论上建立了HfO2器件电阻突变和缓变的判断依据。然后,基于第一性原理计算系统的研究了碱金属和碱土金属在HfO2中的掺杂特性,发现它们倾向于形成间隙掺杂,能够在电场作用下形成迁移,但并不会因聚集而发生氧化还原反应形成金属导电细丝,因此,掺杂后的器件依旧通过氧空位细丝的形成和断裂来实现阻变。在此基础上,进一步分析了碱金属和碱土金属掺杂对于氧空位的形成、迁移及导电特性的影响。结果表明,掺杂元素与氧空位可能存在协同迁移,增加了氧空位的迁移势垒,这有利于导电细丝形貌的维持,提高器件稳定性。同时,掺杂能够抑制氧空位的氧化还原反应,并且阻碍氧空位的聚集、防止导电细丝坍缩,从而提高器件电导调制性能及其线性度。最后,通过磁控溅射实验制备了Li、Mg和Ca掺杂HfO2忆阻器,对比其性能测试结果发现:由于Li本身迁移势垒较小,容易在热效应下发生扩散,并且对氧空位的阻碍较弱,它们之间的协同作用不强,因此,器件的阻变性能的提升并不明显;而Ca本身迁移势垒很高,对氧原子束缚太强,而导致了器件操作电压较高,阻变性能也没有明显优势;只有Mg掺杂器件展现出了更好的一致性、耐久性、保持特性以及电导调制特性,其原因就在于Mg与氧空位之间的协同作用较强。这不仅能有效的约束氧空位的迁移来提高导电细丝结构的稳定性,同时能够调节导电细丝的导电特性获得更多的中间态,从而提高电导调制的线性度及可调节范围。