忆阻器既能满足高密度信息存储和高性能计算对下一代电子存储器的需求,还具有非易失性逻辑运算和类脑神经形态计算的功能。因此,自提出以来,忆阻器就取得了巨大的研究进展。然而,基于传统的单层氧化物材料或者金属电极制备的忆阻器件,在开关电压分布、低功耗和高速度方面出现了较大的瓶颈,急需要寻找一些新的器件结构或者新型氧化物材料去进一步优化忆阻性能,提高器件的稳定性,降低功耗。因此,本文主要研究简单氧化物提高忆阻器性能,实现突触可塑性。通过制备双层器件结构改善忆阻器电压分布不均匀的问题,采用石墨烯电极或者二维氧化钛纳米片降低器件功耗,并对高性能忆阻器进行突触仿生功能的研究,其主要内容如下:1、通过插入宽带隙的AlN薄膜制备了Ta/TaOx/AlN/Pt双层忆阻器件。与没有AlN层的器件相比,该双层器件表现为突变型电阻转换行为,且具有更好的稳定性和更低的开关电压。Ta/TaOx/AlN/Pt器件为下一代非易失性电子芯片系统提供了理想的选择,但是为了更好地模拟生物突触行为,需要制备一个具有双向渐进调控的忆阻器。因此,本章提出使用多层石墨烯电极替代传统的金属电极,制备了Ta/Ta2O5/AlN/Graphene三明治结构的忆阻器。该器件在直流电压扫描下具有稳定的电学特性。更重要的是,一次写入事件的能量值可以低至37 f J,进一步证明了低功耗特性。此外,该忆阻器可以完全模拟生物突触的功能和突触可塑性,包括尖峰时间依赖突触可塑性、双脉冲易化、兴奋性突触后电流以及长期-短期记忆等。根据电流-电压曲线的拟合结果,将导电机制归因于缺陷辅助隧穿。因此,该项工作在高稳定性和低功耗人工突触神经形态计算中具有出色的潜力。2、采用旋涂方法制备了氧化钛纳米薄膜,以构建Ag/2D-Ti Ox/Pt结构的忆阻器。经过电压-电流测试后,该器件具有典型的双极电阻切换行为,并且具有低开关电压（开启电压为0.37 V,关闭电压为-0.2 V）,高开关电阻比（超过105）和低开关功率(开启功率为10-9 W,关闭功率为10-5W)。值得注意的是,单个器件在不同的限制电流下表现出均匀稳定的不同电阻状态,从而实现了多级存储。将4个忆阻器件连接到实际的存储电路中,通过选择性地刺激4个器件,从而使电路的输出显示不同的电流值,最终实现可存储和可编程的特性。此外,器件电导可以通过正负交流电压脉冲进行调整,这有利于模拟生物突触功能。因此,该工作为高信息存储以及神经形态计算应用提供了可行的方案。3、探索晶体管与忆阻器串联构成的1T1R结构,该结构可以有效的抑制漏电流,实现了高密度交叉阵列。本章详细的研究了晶体管特性,并且使用Cadence软件对晶体管的选通特性进行模拟,并进一步的绘制版图。该结构与CMOS工艺兼容,为系统级芯片的应用提供了新的见解。