阻变存储技术凭借众多氧化物、固态电解质材料、有机材料中存在的电阻记忆及转变特性,有望开拓新一代非易失性信息存储领域。它能够被用于大规模集成电路,工作时消耗较低功耗的同时,还能保持很好的数据处理速度。经过前人对阻变机理的研究发现,阻变器件的工作过程与其介质材料中导电丝的形成、连通、断裂息息相关。然而,研究多数是依据实验现象开展分析,隐藏在存储器内部的微观物理机制还需要进一步探索。金红石二氧化钛（rutile TiO₂）作为最早被用于阻变存储器件介质层的二元金属氧化物材料之一,也是较早被用于研究阻变机制的材料。有研究指出二氧化钛材料中的氧空位与导电丝存在强关联,导电丝的主要成分为缺氧的TiO₂。因此,本论文以金红石TiO₂的氧相关缺陷行为作突破口,借助第一性原理计算,期望从微观角度对材料的阻变机制有一个较深入的理解,其中,氧相关缺陷行为的研究包括氧空位的分布趋势,氧缺陷的稳定构型以及迁移运动仿真等。本项工作的具体研究内容及结论如下:1.氧空位在TiO₂中的分布趋势。我们首先构建多个含有不同氧空位数量和分布状况的缺陷结构模型,并计算其在不同实验条件下的形成能。通过比对含单一氧空位缺陷和多个氧空位缺陷的空位形成能,发现不同交换关联泛函的结论不同。之后借助精度更高的杂化泛函进行结论验证,证实氧空位趋于非近邻晶格聚集的分散式分布在金红石TiO₂中。同时,经比对形成能发现,无论计算中采取锁胞优化还是开胞优化,均不影响最终的结论。我们也通过上述研究,给出了计算金红石TiO₂氧缺陷时的推荐泛函。综合计算结果的准确性和成本考虑,PBE交换关联泛函更适用于计算TiO₂的氧缺陷行为。2.金红石TiO₂中的氧缺陷行为和动力学过程。首先,我们通过观察氧本征缺陷经过结构优化后所处的稳定位置,计算其形成能,分类总结了金红石TiO₂的稳定缺陷结构。我们得出:氧间隙在TiO₂中会以挤压临近氧原子的方式稳定存在,依据氧空位与氧间隙共存的Frenkel型相关缺陷结构对氧空位的敏感程度,将其分类为空位独立型氧间隙缺陷和空位依赖型氧间隙缺陷。然后,以空位独立型氧间隙的Frenkel缺陷为初始模型进行分子动力学仿真,得出氧间隙原子在TiO₂中通过不断推动临近氧原子的kick-off方式（详见论文第四章的解释）进行依次传递迁移。同时,综合氧本征缺陷结构的电子态密度分析,推测出氧间隙在TiO₂中的迁移运动图像:氧间隙在无氧空位或距离氧空位足够远的晶胞中,沿着外加电场相反的方向运动。当氧间隙在氧空位附近运动时,即使没有电场作用,它也会被氧空位所在势阱吸引,向氧空位运动并最终复合。我们将运动方向受电场决定的氧间隙迁移过程称为电场驱动过程;将氧间隙靠近空位,受氧空位吸引并与氧空位发生间接复合的过程称为近空位复合过程。另外,氧间隙原子在TiO₂中的迁移方式为kick-off方式。我们从原子角度验证TiO₂发生氧空位湮灭的过程,即基于金红石TiO₂的阻变器件发生reset操作过程（比set操作过程）更为容易。综上所述,我们从原子角度出发,围绕阻变材料金红石TiO₂的氧缺陷展开第一性原理研究,试图进一步理解阻变过程中的原子、电子机制。本论文中,我们提出的氧间隙在TiO₂中的动力学行为,以及氧缺陷复合与阻变器件发生电阻转变的关系有助于理解阻变器件的微观工作机制,也为日后设计高性能阻变材料提供理论判据。