作为除电容、电感及电阻之外的第四种两端无源器件,忆阻器凭借其简单结构、低功耗、高速开关、易集成以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容等优势在新型非易失存储领域得到了快速的发展与广泛的应用。忆阻器不仅可以实现高密度的信息存储,还可以实现非易失性逻辑运算和神经形态计算功能。忆阻器在单个器件中融合存储与计算的功能消除了冗余的数据传输过程,成为未来基于非冯·诺依曼计算架构的存算融合技术的核心。目前,忆阻器应用于高密度存储与存算一体应用领域尚处于探索阶段,并且在上述领域仍有亟待解决的问题。例如,忆阻器的二值存储特性和存储阵列中的串扰电流限制了其存储密度与容量的提升;在存算一体应用方面,逻辑存算一体得到了验证,但是仍缺乏对逻辑功能的创新组合;此外,神经形态特征多是使用单个忆阻器对生物特性进行模拟,将其阵列化应用于不同场合的可行性仍有待验证。为了解决这些技术层次的问题,研究人员提出了一系列行之有效的方法。在存储密度方面,增加单个存储单元的存储状态或者抑制串扰电流可以进一步提升原有阵列的存储密度;通过控制限制电流或者引入额外控制变量（压力、光、湿度等）调控均可以实现对忆阻器状态的调控;通过结构的设计构建具有肖特基节的自整流特性的忆阻器则可实现对串扰电流的抑制。在存算一体应用方面,构建新型逻辑存算一体器件实现新的逻辑完备集可以进一步简化电路。将神经形态特征应用于低功耗的大规模并行计算加速传统的神经网络运算也展现出巨大的优势。本文基于不同的半导体材料,从不同的角度分析,设计并制备出了高性能的面向高密度存储与存算一体应用的忆阻器。同时,基于现有的研究技术及手段,对忆阻器的阻变机理进行了详细的研究。本论文的主要研究工作如下:第一章,首先简要介绍了忆阻器的概念、组成材料与结构以及阻变机理,并介绍了忆阻器面向不同领域的应用与本文的研究意义。第二章,从忆阻器的制备工艺与表征测试方面出发,详细系统地介绍了制备忆阻器的几种方法,包含水热法、旋涂法等化学方法以及磁控溅射、脉冲激光沉积等物理气相沉积方法,并对比描述了各种方法在制备器件方面的优缺点。同时,对忆阻器的表征手段与测试方法进行了介绍。第三章,采用水热法在导电玻璃（FTO）上生长了二氧化锡（Sn O2）纳米线阵列,配合溶液法制备的氧化锌量子点（Zn O QDs）,制备了具有自整流特性的忆阻器。最后建立了基于肖特基势垒与导电细丝的模型用于解释忆阻器的阻变机制。该忆阻器能够有效抑制存储阵列中的串扰电流,并提升阵列的存储规模。第四章,制备了沿（-111）方向生长的高质量Hf O2薄膜,并且研究了氧化物异质结Hf O2/WO3对器件性能的优化。施加不同的限制电流,调控了器件的中间状态,获得了具有多值状态的忆阻器。同时,研究了调控的电脉冲幅度、宽度及数目对器件神经形态特征的影响,并建立了相应的模型去验证该器件加速神经网络运算的可行性,为实现新型高密度存储与低功耗并行运算提供了一种可靠的方案。第五章,制备了CsPbBr3薄膜,构建了FTO/聚乙烯醇（PVA）/CsPbBr3/Ag结构的忆阻器,通过等离子体处理CsPbBr3表面对器件进行了优化,并对其电学特性进行了全面的测量。使用第一性原理计算验证了提出的基于银导电细丝的机制。在应用中,成功的将光信号引入到对器件的调控中来,并且在光信号的辅助下完成了数值与逻辑运算。该工作促进了光电忆阻器的发展,提供了一种新型的可被光、电信号同时调控的非易失性逻辑存算一体器件。第六章,对论文中的工作进行了总结,并对面向高密度存储与存算一体的忆阻器的未来发展进行了展望。