阳离子基阻变器件（也称导电桥阻变器件）,是一种基于电场/热场作用的电化学效应器件,在非易失性存储器、易失性选通管、非易失逻辑运算和神经网络计算等领域具有重要的应用潜力。通常,该器件具有两端的三明治结构,由活性电极、阻变（RS:Resistive Switching）介质层和惰性电极构成。在外加电压下,活性电极的电化学和电迁移效应造成导电细丝（CF:Conductive Filament）在阻变介质层中的形成或断裂,使器件在高低阻态之间相互转化。从导电细丝的稳定性（或保持特性）出发,阳离子基阻变器件可分为非易失的存储转变（MS:Memory Switching）器件和易失性的阈值转变（TS:Threshold Switching）器件。前者在掉电的情况下,低阻态会自发回到高阻态,而后者在掉电的情况下,低阻态会很好的保持。这两类器件可以分别作为交叉阵列中的存储器件（RRAM:Resistive Switching Random Access Memory）和选通器件（Selector）,以此构建One-Selector-One-Resistor（1S1R）的阻变存储单元,解决交叉阵列中的串扰难题,实现阻变存储器的高密度三维集成。为保证1S1R正常工作,要求选通管提供比存储器工作电流更高的驱动电流,以保证存储器的正常擦写操作。然而,阳离子基阻变器件中存在电流-保持特性的依赖关系,即写操作（SET）过程中的限流越小,对应的器件保持特性越差,导致实现低操作电流、高保持特性的阳离子基存储器和高驱动电流、低保持特性的阳离子基选通管十分困难,这就是阻变器件中普遍存在的电流-保持困境难题。针对上述阻变器件中电流-保持困境的问题,本文主要包含以下三方面的研究内容:第一,详细调研并总结了导电细丝保持特性的影响因素以及在此方向上前人的研究成果（第二章）。导电细丝的保持特性通常与其组分在介质层中的扩散势垒、其所处电化学环境及其微观形貌等因素有关,研究者针对相应的影响因素分别做了大量的研究工作来调控导电细丝的保持特性。在以往的工作中,研究者通过采用不同的材料体系单方向调控导电细丝的保持特性,要么增强其保持特性用于非易失性存储器,要么削弱其保持特性用于易失性选通管。如何破解电流-保持困境问题,在同一材料体系下同时实现低电流的存储器和高驱动电流的选通管,仍然是这个领域的难题。第二,基于传统的工艺与器件结构,通过存储模式的创新,我们验证了易失性阳离子基TS器件用于非易失性信息存储的可行性（第三章）。我们发现阳离子基TS器件阈值转变电压V_TH的大小与导电细丝的破裂程度相关,而导电细丝的破裂程度可由擦除（RESET）操作的电压来调控,基于此,我们提出了利用导电细丝破裂程度这个物理量进行数据存储的方案。这种基于阳离子TS器件的非易失存储（TSM:Threshold Switching Memory）方案,其数据的保持特性较少地依赖限流的大小,有效地规避了阻变器件中的电流-保持的困境问题,实现了超低电流的TSM存储器。同时,TSM存储器还具有较高的非线性,可作为自选通的阻变器件用于三维交叉阵列中,通过HSPICE仿真,在10%读取余量时,该器件在理想情况下可支撑10 Titb的交叉阵列。基于TEM和EDS分析结果,我们建立了TSM存储器导电细丝状态与各个转变阶段之间的相互关系。凭借自选通、低能耗和潜在的高密度集成特性,阳离子基TSM存储器在高密度存储领域具有较好的应用潜力。第三,基于调控机理的创新,我们提出了阳离子限域传输的调控方法,利用开孔离子阻挡层的作用集中化或者离散化导电细丝分布,实现了对阻变器件中导电细丝的保持特性增强和减弱的双向调控,破解了电流-保持困境（第四、五章）。我们通过导电原子力显微镜（C-AFM）与高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表征,证明了阳离子的电迁移及导电细丝的形成可被限制在人为设计的阻挡层（石墨烯）缺陷孔位置。利用石墨烯的缺陷工程,通过集中/分散导电细丝的分布,实现了导电细丝保持特性的双向调控,在同一材料体系中实现了低操作电流的非易失阻变存储器（¹μA量级）与高驱动电流的易失性选通管（¹ mA量级）,从而有效突破了电流-保持困境难题。电流-保持困境难题的解决为实现阻变存储器抗串扰高密度三维集成奠定了基础。该调控方案具有:（1）普适性,可适用于其他材料体系、（2）兼容性,可与其他调控方法协同使用、（3）拓展性,该离子迁移调控方法,可移植应用于离子电池、离子传感等研究领域。