阻变随机存储器（ReRAM）,由于其优异的器件性能极有潜力成为下一代非易失性存储器:结构简单、尺寸缩减能力强、超快的操作速度以及低功耗运行等,是目前国内外的研究前沿。ReRAM具有Metal/Insulator/Metal的“三明治”器件结构,其中,阻变绝缘层的材料性质和金属电极与绝缘层之间的界面特征均是决定器件单元阻变性能的关键。因此,对阻变层材料的选择、调控和其与电极之间的界面优化是本领域的核心课题。虽然阻变存储单元电阻转变的微观物理机制仍然存在争议,但普遍认为由金属阳离子（电化学金属化类型）和氧离子（价态变化类型）的迁移所致的导电细丝形成和断裂是发生阻变现象的物理根源。然而,从电极和阻变层界面开始成核、生长、直至贯穿整个阻变绝缘层,导电细丝的位置、尺寸和微观形貌存在较大随机性,导致出现一系列可靠性问题。本论文从阻变存储单元现存的核心问题出发,利用非晶碳材料的微结构调控手段,在阻变特性的调控及阻变机制方面展开了相关研究工作,并在阻变存储器多功能化拓展方面做了一定探索。主要研究内容如下:1.氮掺杂非晶碳（a-C:N）退火工艺制备多孔薄膜结构,以调控阻变存储器导电通道几何形貌。（i）首先,探讨了Cu基非晶碳电化学金属化阻变器件转变参数波动性大的主要原因（时间cycle-to-cycle、空间device-to-device）,得出了初始化过程（forming operation）与器件后续运行情况存在特定关系的结论;（ii）利用不同掺氮量的a-C:N薄膜高温退火工艺产生孔洞尺寸连续可调的性质,探究了预制导电通道尺寸对阻变性能的影响;（iii）提出了双层多孔非晶碳器件结构,对预制金属导电细丝进行细致微调控,从而免除了器件单元初始化过程,提升了阻变均一性,并在105次脉冲循环耐久测试下未见明显衰退,展现了高度的可靠性。2.非晶碳薄膜材料内部sp2团簇尺寸调控,以促进阻变存储器转变均一性及其在抗干扰方面的应用拓展。先前报道的促进存储器单元阻变均一性的工作基本围绕着电极形貌工程、纳米粒子包埋等手段进行,阻变层本身的调控鲜有报道。而本部分工作主要围绕着非晶碳薄膜材料的退火特性研究（400°C以下）。通过对非晶碳薄膜sp2团簇尺寸的调控,从而促进器件单元的阻变性能。并利用此性质在抗干扰阻变存储器方面进行了探索:得到了开启电压均值8.9 V并需要大操作电流的WORM类型阻变器件。3.非晶碳低温石墨化工艺制备山峰状褶皱碳薄膜,以调控局域电场提升阻变存储器可靠性。（i）进一步提高非晶碳的退火温度到500°C,我们制备出具有山峰状形貌的碳层。详细的AFM、XRD、XPS和Raman表征手段表明:具有高sp2比例的非晶碳可以实现低温石墨化;（ii）利用此山峰状石墨化碳（MSGC）作为插层构筑了Cu/a-C/MSGC interlayer/Pt器件,展现了优异的转变性能。为了验证其普适性,在氧化物基阻变存储单元也进行了相关尝试。MSGC所具有的纳米量级尖端在阻变过程中提供了电场增强位点,很大程度上局域了转变位置,从而提高了参数均一性。此外,碳层在器件单元转变过程中对缺陷的收纳和供给保证了其低衰退循环耐久特性。因此,此MSGC插层的应用为阻变存储器可靠性提升提供了一种可大面积制备的、有效的、普适的技术手段。4.氧等离子体处理非晶碳薄膜调控纵向含氧碳键梯度,以实现自生电读取阻变存储器。本部分工作基于氧等离子体处理技术对非晶碳表面含氧碳键进行调控:引入O-C-O、O-C=O等。通过XPS纵向挖层手段、不同W电极沉积厚度的XPS W4f信号分析以及截面TEM+EDS能谱测试确定了此种可反复擦写的自生电读取阻变存储器器件结构。非晶碳薄膜含氧碳键的引入致使湿度条件下的水合官能团自发电离,导致质子（H+）纵向的梯度扩散,从而产生开路电压和短路电流,实现了阻变器件的自生电读取功能。