大数据和智能时代对数据的存储提出了更高的要求。忆阻器高速、低功耗、高集成度、CMOS工艺兼容等性能优势,既可满足下一代存储器的应用需求,又可实现存内计算,必将在信息存储,存储与计算融合的内存计算,以及人工神经元器件等应用中大放异彩!TaO_x忆阻器因其优异的阻变性能是下一代新型存储器和存内计算的热门候选者之一。然而,忆阻器阻变过程中局域化的纳米导电通路的形状、数量、通断部位具有极大的随机性,这种本征的随机性导致忆阻器操作参数和阻变性能的一致性还不能满足产业化的要求。因此,对其氧空位导电丝阻变机制的深入理解以实现对导电丝生长的形貌、通断区域的可控具有重要的的研究意义。本文从氧空位导电丝的演化过程及界面影响机制分析研究出发,采用氧浓度梯度分布的新型阻变功能层,研制出氧空位梯度型TaO_x忆阻器。探究了器件的稳定性、一致性、Forming电压和漏电流的降低、高速低压操作等内容,主要研究内容如下:（1）根据反应溅射不同氧组份TaO_x的忆阻特性,研究了器件的自限流特性、器件纳米导电通路的演化和器件失效机制。包括器件结构、制备工艺、基片温度、薄膜特性等研究;界面型的自限流机制研究;以及循环特性的失效问题进行机理分析;最后,提出了多次循环下的多网状导电丝过生长的失效模型。（2）氧梯度忆阻器的设计和制备研究。调控磁控溅射过程的O₂与Ar的比,制备出氧含量从Ta电极向Pt电极逐渐增加的梯度型忆阻器;并采用透射电子显微镜对器件的微观结构、功能层组份进行研究。（3）氧梯度忆阻器的阻变特性和机理研究。通过氧梯度与氧均匀功能层的阻变特性对比研究,发现梯度型器件可降低Forming电压、提高一致性、抑制漏电流,超过10⁴次的高速低电压开关特性（<1V/100 ns,50 ns;<3.3V/10 ns）。根据梯度功能层忆阻器件电学特性与外加电场和热导率梯度分布的特点,提出了梯度诱导的单根锥形导电丝与导电丝局域化通断阻变模型。