忆阻器可通过改变阻态来记忆流经的电荷量,从而具有记忆功能。自2008年惠普实验室首次证实忆阻效应的存在以来,忆阻器件因其独特的非线性电学特性和优异的存储性能,备受学术界和工业界的关注。研究证明,忆阻器件具有尺寸小、读写速度快、工作电流低、读写次数多、阻态保存时间长及与CMOS工艺集成等优点,在数据存储、逻辑计算、神经突触模拟、认知行为模拟及神经形态计算等领域中得到了广泛应用,在材料选择,器件结构设计、应用领域开发等方面还具有很大的探索空间。本文结合实验和理论分析,深入系统地研究了纳米线平面型忆阻器和薄膜三明治型忆阻器两种典型器件,并对纳米线忆阻器进行结构优化,首次表征了悬浮结构对器件性能的提升。另一方面,本论文根据两种忆阻器的特点,创新性地将其分别应用于气体传感和硬件安全领域,并系统地研究了不同应用的物理机制,为忆阻器的应用开拓了新的领域。主要研究内容如下:1.制备ZnO纳米线平面型忆阻器,从纳米材料生长与表征、器件设计与加工、电学特性测试和机理理论分析方面,对该忆阻系统进行了深入研究。接着对该忆阻器进行结构优化,创新性地提出悬浮结构可以排除衬底对器件的影响,有效提高纳米线的热绝缘性,提升忆阻器的性能。2.对ZnO纳米线忆阻器的气体传感特性进行了表征。在室温下实现传感器的高灵敏度和气体选择性,并首次将器件的阻值转变过程应用于气体检测后的恢复,大幅提升了传感器的可恢复性。为忆阻器拓展了新的应用领域,同时为气体传感提供新的平台。3.对Ag:SiO2薄膜三明治型忆阻器进行了薄膜材料的制备、器件加工测试、忆阻机理等方面的研究。通过电学测试,表征器件的忆阻性能,并建立模型分析忆阻机制,为其后续的应用研究提供参考。4.根据Ag:SiO2薄膜三明治型忆阻器的特性和机理,创新性地将其应用于物理不可复制功能。将Ag颗粒的的随机分布转换成随机二进制位图,首次实现对忆阻器数字化随机源的直接利用。为芯片识别、防伪安全等领域提供新方法。