忆阻器在新型非易失性存储以及神经形态计算中的巨大应用潜力使之成为在存储以及信息处理上最具潜质的电子器件。相关的研究主要集中于氧化物薄膜,在基于氧化物薄膜的忆阻器的特性中,氧空位扮演着重要的角色。因此,为了对阻变行为进行调控就需要对氧空位进行调控。然而,目前对于基于氧化物的忆阻器中的氧空位的调控仍然存在一些问题与不足,针对氧空位的调控对于阻变行为的影响规律的研究也尚不明朗。研究的绝大多数的氧化物薄膜都是通过薄膜沉积过程制备的多晶氧化物薄膜。多晶氧化物薄膜中有很多晶界和晶粒。而氧空位倾向于聚集在靠近晶界处,这就会导致薄膜中氧空位的分布不均匀。氧空位分布的不均匀会引起同一薄膜上不同阻变单元的电形成电压以及后续的阻变行为出现很大的差异,从研究的角度,这会导致氧空位的调控效果难以判断,从未来应用的角度,这不利于器件的高密度集成。此外,在薄膜沉积过程中随机引入的氧空位不可避免,这就让通过材料后续处理的方式调控忆阻器的性能变得复杂而不可控。单晶氧化物薄膜可以为对于氧空位的调控及其研究提供一个既没有晶界和晶粒也没有在薄膜沉积过程中随机引入的氧空位的理想环境。而且相比于单晶块材来说,单晶氧化物薄膜也更适合于制备实际应用中所需要的垂直的类电容结构。本论文基于单晶氧化物薄膜材料围绕氧空位的调控及氧空位对于阻变特性及类突触特性的影响开展研究工作,主要研究工作包括以下几个方面:（1）为了对单晶氧化物薄膜进行后续处理使得基于其上的忆阻器具备阻变行为,就需要对在单晶氧化物材料中阻变行为的产生机理进行研究。为此,对单晶SrTiO₃块材进行了真空退火处理。针对真空退火在单晶SrTiO₃块材上产生的作用的研究表明,真空退火会在单晶SrTiO₃块材中产生氧空位。可观察到其上的阻变单元具有自限流特性的阻变行为,这主要是由于可变二极管效应。可变二极管效应是由于氧空位在外加电场的作用下的重新分布形成了n–n⁺结或n⁺–n结。为了进一步研究氧空位的含量对于单晶氧化物材料的阻变行为的影响,采用不同束流的激光对单晶SrTiO₃块材进行了退火。XPS的测试表明,随着退火激光束流的增加,氧空位的含量增加。只有在采用较高的激光束流进行退火的样品上才观察到电形成过程及之后的阻变行为,这表明只有当有足够的氧空位在外加电场的作用下形成导电细丝才能产生阻变行为。（2）为了研究单晶氧化物薄膜的阻变行为,采用离子注入剥离技术制备了单晶LiNbO₃薄膜。在经过在氩气中或者在真空中的退火过程之后,可观察到电形成过程。且同一薄膜上的随机挑选的12到14个不同的忆阻单元的电形成过程展现出很好的一致性。电形成过程之后,对I-V特性曲线、数据保持特性、抗疲劳特性进行了测试,观察到具有整流特性的导电细丝型阻变行为。采用TEM、EDS等表征测试方法对薄膜进行了分析测试,同时,对导电机制进行了分析测试。基于上述测试结果,建立了一种由氧空位构成的导电细丝但却不完全贯通忆阻单元的上电极和下电极的阻变模型来解释阻变现象。在上述研究的基础之上,为了对阻变特性进行进一步的调控,需要对薄膜进行局部处理,故尝试采用低能Ar⁺轰击对单晶LiNbO₃薄膜进行处理。首先是低能Ar⁺对于整片薄膜进行轰击验证其作用效果。通过比较I-V特性曲线,确定了之后采用的低能Ar⁺轰击的时间。利用导电AFM的针作为上电极对薄膜上不同点的I-V曲线进行了测试,随机挑选的8个不同点的I-V曲线表现出很好的一致性,尽管针尖与薄膜的接触点的直径只有几个纳米。对于低能Ar⁺轰击作用的研究表明,低能Ar⁺轰击在单晶LiNbO₃薄膜中产生氧空位。基于低能Ar⁺轰击对于整片薄膜的研究结果,对薄膜进行了局部低能Ar⁺轰击。通过对于制备的具有相同Ar⁺轰击区域但上电极面积不同的忆阻单元进行测试,结果表明,忆阻单元中导电细丝的特性决定于局部Ar⁺轰击区域中的氧空位。通过局部低能Ar⁺轰击制备了具有不同数量局部低能Ar⁺轰击区域的忆阻单元,阻变性能的测试结果表明,可通过改变阻变单元中局部低能Ar⁺轰击区域数量来调控氧空位以实现对于阻变性能的调控。（3）对电阻状态的可塑性和STDP特性进行了测试。电阻状态的可塑性可通过改变阻变单元中局部低能Ar⁺轰击区域数量来进行调控。具有不同的电阻状态的可塑性的忆阻器被分别用于神经形态计算中作为人工神经网络中的一个权重去实现简单的功能。研究了电阻状态的可塑性对于神经形态计算中人工神经网络训练过程的影响。为了尝试将忆阻器应用于传感器端的神经形态的边缘计算,对将传感器与忆阻器结合的可行性进行了验证。实现了当传感器接收到外界刺激,忆阻器阻值发生改变的功能。