由于“内存墙”等问题的存在,“冯·诺依曼”计算机的发展面临着极大的挑战。于是,发展超越互补金属氧化物（CMOS）器件的新型电子元件成为了信息技术领域研究的热点。自2008年相关原型器件首次问世以来,忆阻器因其优越的特性,已被证明具有成为人工突触和下一代非易失存储器件的潜力。利用忆阻器,有希望构建“存算一体”的高性能、低能耗的新型计算系统。近年来,各国研究人员业已提出了多种低能耗的忆阻器件。同时,基于忆阻器的人工突触可以模拟生物突触的各项功能,由忆阻器的人工神经网络也完成了图像识别、逻辑运算等负责任务。但是,相关的研究往往只聚焦于任务完成情况和单元器件的能耗问题,对电路总能耗的关注不足。本论文的研究恰是面向上述问题做出的尝试。首先,我们利用脉冲激光沉积技术制备了高质量的BaTi O3铁电薄膜,在此基础上制造了具有Pt/BaTi O3/Nb:Sr Ti O3结构的铁电忆阻器,该器件具有开关比高、稳定性好、开关速度快、能耗低能优点,有着成为高性能存储单元的潜力。接着,我们利用原型器件模拟一系列突触功能,并采取短脉冲实现了峰时依赖可塑性（spike-timing-dependent plasticity,STDP）的模拟,证明了原型器件作为低能耗人工突触的广阔前景。最后,设计了基于忆阻器的联想记忆电路,讨论了各参数对电路能耗和能量利用效率的影响,最终实现了低能耗、高效率的联想记忆模拟。以下是本论文的主要工作内容:1.利用脉冲激光沉积法在650℃、15 Pa的氧气气氛下沉积了高质量的BaTi O3薄膜。分析X射线衍射和倒易空间扫描的测试结果,可确认薄膜结晶状况良好,在Nb:Sr Ti O3衬底上实现了外延生长。根据原子力显微镜的观测结果,薄膜有着较平整的表面,其均方根粗糙度仅325 pm。利用压电力显微镜,对样品进行了电滞回线和极化翻转测试,结果显示BaTi O3薄膜具有良好的铁电性能。2.证明了Pt/BaTi O3/Nb:Sr Ti O3铁电忆阻器具备优越的存储性能。在开关比测试中,器件表现出了高达10~4的开关比,循环测试、保持性测试和器件一致性测试的结果则证明了器件良好的稳定性。探究了写入脉冲幅值和宽度对器件开关性能的影响:一方面,原型器件可在60 ns脉冲下仍可实现超过100的开关比,说明器件具有快速开关的能力。另一方面,器件的在快速开关过程中的能耗较低,当开关比至少为10时,最小SET（高阻态转变为低阻态过程）能耗和RESET（低阻态转变为高阻态过程）能耗分别为6.97 p J和0.27 p J。3.将制备得到的忆阻器件视作人工突触,进行了各类生物突触可塑性的模拟。通过施加不同极性的脉冲,完成了突触权重的线性调控,另外,证明了在脉冲刺激后突触权重的变化规律符合艾宾浩斯关系。分别通过提高脉冲幅值和增加脉冲数量的方式,完成了短时程可塑性向长时程可塑性的转变模拟。利用幅值为2 V、宽度为60 ns的微弱脉冲,实现了STDP这一重要生物突触可塑性的模拟,该过程的平均能耗仅为3.83 p J,这一数值达到甚至超过了相当一部分同类研究的水平。4.注意到在电路执行神经功能时,大量能量被浪费在负载电阻等元件的问题,提出能量利用效率的概念。在实验中,以包含一个忆阻器和一个负载电阻的联想记忆电路为例,不仅实现了联想记忆功能,还分析了各变量对电路总能耗和能量利用效率的影响,构建了相应的预测模型。利用铁电忆阻器低能耗的优点,在对实验参数优化后,成功将联想记忆的总能耗降低到7.86 p J,远低于有关文献报道的水平。同时,有效降低了负载电阻的能耗,能量利用效率则被提高到96.2%。