爆炸式增长的数据量使得信息在CPU和内存之间的数据传输带宽遇到了所谓的“冯·诺伊曼瓶颈”。发展后摩尔时代新器件和计算架构,探寻计算与存储相融合的机制与方法,突破芯片算力瓶颈,成为当前国际微电子集成电路技术领域发展的必然趋势。在众多新兴下一代非易失性存储器中,阻变忆阻器不仅具有高速、低功耗、可实现三维集成等优异特性,还可模拟人类大脑实现高速化、并行化和智能化处理信息,即采用类脑神经形态计算方式的忆阻器有望突破传统技术的瓶颈。在众多忆阻器材料中,氧化铪作为与主流的互补金属氧化物半导体工艺兼容的高K介质材料,同时具有稳定可调控的材料特性及丰富的物理效应特性,在忆阻器领域脱颖而出,有广泛的应用前景。然而,忆阻器件的一致性、速度、功耗等因素制约其商业化应用。因此全文以提高氧化铪忆阻器性能为目的,从本征阻变机理、器件设计、制备工艺、性能调控多角度出发,研究其对阻变特性的影响,优化器件性能,研制出高性能、多功能的氧化铪忆阻器并探索其在神经形态计算中的应用。具体研究结果如下:（1）HfOx忆阻器的本征阻变性能研究:通过反应溅射的方法,在室温条件下制备双惰性电极的Pt/HfOx/Pt忆阻器,Set过程是由焦耳热和浓度梯度引起的热扩散驱动,诱导单极性阻变,且导电丝通断位置随机,导致电参数漂移较大。经过85℃和300℃真空热处理30 min后,电阻阻变由单极性阻变过渡到双极性阻变,同时改善了稳定性。归因于热处理后氧空位分布更均匀,Set过程驱动力受电场主导。（2）电极及热处理工艺优化Ti/HfOx/Pt忆阻器性能的研究:室温条件下,反应溅射制备的Ti/HfOx/Pt忆阻器表现为双极性电阻转变,比Pt/HfOx/Pt器件具有更好的耐疲劳特性。Ti/HfOx/Pt器件经300℃真空热处理30 min后,降低了forming操作电压,提高了电参数（Set/Reset电压,高、低阻态的分布）的一致性,同时产生了自限流和多值效应,归因于热处理后生成更厚的TiOx中间层,TiOx一方面充当串联电阻起到了分压的作用,一方面将导电丝局域化在TiOx/HfOx界面处,提高了阻变的一致性,器件性能得到了有效优化。（3）第一性原理计算预测氧化铪忆阻器锥形导电通路形成的理论可行性研究:采用GAA-1/2赝势方法对2×2×2的单斜相氧化铪晶胞进行第一性原理计算,证明了氧空位的存在会降低周围氧空位的迁移势垒,理论上会降低操作电压,同时证明了氧空位具有一定的聚集效应,即非随机性,为下一步构建氧浓度梯度忆阻器、高速开关条件下实现低的操作电压提供理论支持,提出了氧梯度分布诱导的锥形导电丝器件模型,为梯度氧空位设计提供了理论支撑。（4）氧浓度梯度分布HfOx功能层对忆阻性能的优化研究:通过对比氧浓度梯度分布与氧浓度均匀分布器件的忆阻特性,发现梯度型器件可降低forming操作电压、可抑制漏电流、具有稳定的超过10~4次的高速低压开关特性（<1V/20 ns）、在同一器件里可实现数字式电阻转变和模拟式电阻转变的可逆切换。根据器件初始氧浓度的梯度分布及forming过程抑制漏电流现象及电场强度分布的特点,结合第一性原理计算提出锥形导电丝模型,数字式电阻转变将导电丝的形成与断裂局域化在Pt电极端,而模拟式电阻转变归因于氧空位在未断裂的导电丝中的迁移引起的导电丝形貌和界面处势垒的变化。（5）氧浓度梯度的忆阻器突触可塑性及其神经形态计算应用研究:在直流作用下,长时程抑制过程（LTD）可获得40多组电导值,长时程增强过程（LTP）可获得超80组电导值;在脉冲作用下,研究了不同脉宽和幅值对LTP和LTD过程权重更新的影响,以及非线性因子的变化趋势。设计了三层感知器和卷积神经网络,在多层感知器仿真中,研究了不同参数（学习率、迭代次数、隐藏层节点数及噪声）对识别率的影响,识别率最高可达93.85%。在卷积神经网络仿真中,考虑非理想因子的情况下,without-write-verify和write-verify的识别率分别达到86.54%和97.59%,write-verify权重更新精度高、识别率高。