忆阻器被认为是除电阻、电容、电感之外的第四种基本无源电子器件。其阻值能够随流经电量而发生改变，并且记住它的状态。近年来，忆阻器以其独特的非线性电学性质而引起极大的研究兴趣并在许多领域有着广泛应用，特别是在阻变式随机存储器及神经突触仿生器件研究领域：忆阻器能够在高低阻状态之间进行相互转变，并因其高速度、高密度、低功耗等特点被认为具有下一代新型非易失性随机存储器的潜力；另一方面，忆阻器具有阻值能够连续可调节的特性，这一点与神经突触有着高度相似性。因此，忆阻器同样在神经突触仿生器件研究领域有着巨大的潜在应用价值。本论文以金属氧化物材料为基础，开展了忆阻器件的研究工作，基于电阻转变特性及电阻连续可调特性，探究忆阻器件在阻变式随机存储器及神经突触仿生器件的研究，同时深入探究忆阻器件运行物理机制。主要内容如下：阻变式随机存储器件存在着这样的关键问题：器件运行过程中的电学参数存在较大的波动性，这是阻碍阻变式随机存储器实用化的障碍。针对此关键问题，我们展开了以下工作：(i)探究限制电流与导电细丝内部结构的关系，得到高限制电流易于产生网状结构导电细丝。相应地，低限制电流下产生的简单结构的导电细丝更易于控制。我们进一步通过调控限制电流降低了电学参数的波动性；(ii)探究电压极性对导电细丝内部结构的影响。研究表明电压极性能够影响导电细丝结构的转变，尤其是关闭电压的极性影响导电细丝转变位置；(iii)通过电迁移Ag并形成Ag纳米簇，在电阻转变层内部构建尖端电极。利用尖端电极附近产生的增强型局域电场提高导电细丝的可控性，从而降低导电细丝的随机性并且提高存储器件性能。基于非晶InGaZnO材料，我们设计并制备了具有不同氧含量的双层结构忆阻器件，并得到稳定运行的器件。该忆阻器件具有良好的电阻可调性及对信号刺激能够快速做出反应等特点。我们通过探究忆阻器与神经突触之间的相似性，获得了具有自主学习功能的智能化器件。在忆阻器件中实现了多种重要的神经突触学习记忆功能，包括非线性传输特性、突触可塑性，长时/短时可塑性、经验式学习行为等。进一步，通过对短时可塑性的变温测试证实了短时可塑性的物理机制为氧离子扩散。由此建立基于氧离子迁移/扩散的忆阻器运行机制。以前期工作为基础，我们开展了基于一维纳米结构的忆阻器件研究及其对神经突触学习功能模拟。我们在FTO导电玻璃衬底上利用水热方法制备了TiO2纳米线阵列，并利用其制备了忆阻器件。通过氢气溅射处理实现了稳定运行的忆阻器件，可以在较大范围内连续多次对其电阻进行调节。进一步，基于TiO2纳米线忆阻器件，实现了多种神经突触的学习记忆功能。并通过XPS、TEM等手段对其物理机制进行了深入研究。与薄膜型忆阻器件相比，一维纳米结构的忆阻器件可能具有实现更高密度集成的研究前景。