作为第四类无源器件,忆阻器这种可记忆电流的非线性电阻,将成为最有希望超越摩尔定律的存储元件。而作为忆阻器的重要分支的模拟忆阻器因为具有可连续调节阻态的特性,则被公认为和人脑突触在生物电信号刺激下的塑性响应过程极其类似。因此模拟忆阻器也是目前己知的电子元件中功能最接近神经突触的器件。本文研究基于金属氧化物薄膜的模拟忆阻器,研究内容包括制备工艺、性能特征、数学和物理模型以及其在仿生中的应用。论文采用实验和理论相结合的方法研究模拟忆阻器的制备工艺和性能特征。基于溅射方法在工业生产中的优势,实验过程中所有的薄膜均采用磁控溅射或者直流溅射法制备;本文采用金属氧化物包括ZnO、CuO、Al2O3、TiO2在内的四种薄膜材料为对象,以金属/氧化物/金属(MIM)为基本结构,研究其忆阻特性;为了研究异质结构和电极对薄膜忆阻性能的影响,我们还将上述单个薄膜以及电极材料组合成各种结构,并研究了这些结构的忆阻特性;实验过程中为数字源表设计了专门应用的适合测量忆阻器的计算机控制程序来测量忆阻器的I-V特性;在实验过程中同时应用XRD、SEM、TEM和EDS等手段或设备对薄膜的结构、形貌和成分等要素进行辅助的分析和表征。研究结果发现,所有用溅射法制备的MIM结构的金属氧化物都可以表现出模拟忆阻器特性,其电流和电压关系都呈现出回滞的曲线形状。然而,实验过程也表明,制备的薄膜是否具备电阻记忆性要受到制备工艺和结构的约束。对于具体的金属氧化物材料而言,溅射工艺过程中氧气和氩气的比例、气体的压力、溅射的时长(薄膜的厚度)以及底电极的类型都对忆阻性能的形成有决定性的影响。研究中还发现,多层异质结构的金属氧化物往往会比其单个结构更容易获得忆阻性能,例如我们第四章的内容就发现Au/CuO/Cu/Pt 比 Au/CuO/Pt结构具有更优秀的电阻记忆保持抗疲劳特性。在上述结论的基础上,论文用多种氧化物的实验证明金属氧化物薄膜忆阻器的电学性能可以通过结构设计与工艺条件而得到有效的调控。在实验的基础上,论文建立了有效的模拟忆阻器物理模型。模型方程以类费米黄金定则的形式,以缺陷状态数、缺陷之间耦合强度和载流子跳跃几率为变量,描述了MIM结构中电荷的输运过程。论文以金属氧化物和金属电极构成的界面按模型建立方程组,在经过经Matlab求解该方程组后,得到的结果可以很好地模拟出模拟忆阻器的电压电流关系曲线。试验和仿真结果表明,利用忆阻器的连续的、可记忆的电导变化,论文中所制备的忆阻器件具有类似条件反射的学习能力和神经突触模拟能力。论文利用单个模拟忆阻器成功实现了模仿‘巴普洛夫狗’条件反射的电路实验;仿真说明多个模拟忆阻器可以用来完成高效的图像识别功能;实验和仿真还同时证明了所制备的忆阻器具有神经突触所具备的对脉冲时间相关可塑性、短期可塑性、长期可塑性以及学习-遗忘-再学习等类生物特性。