随着信息时代的快速发展,数据、图像、视频等信息量日益膨胀,迫切需要开发低存取功耗、高存储容量以及多功能特性的存储器。目前主流存储技术主要是闪存,但由于其擦除速度慢、写入速度慢、达到了微缩的极限,人们需要开发新型的存储材料和器件。忆阻器（也称为阻变存储器）,由于其擦除写入速度快、功耗低、存储密度高、可用于三维集成技术等特点,有望成为下一代非易失性存储器。而且,由于其传输特性类似于生物突触,基于忆阻器的神经形态计算研究也成为信息领域的热点。本论文首先研究了Bi掺杂对SnO2忆阻器的阻变特性的影响。利用磁控共溅射法制备ITO/Bi:SnO2/Ti N忆阻器件并对比未掺杂的ITO/SnO2/Ti N存储器件。研究表明该忆阻器呈现典型的双极性阻变特性,且通过掺杂Bi元素成功的提高了器件性能的一致性与降低了功耗（通过降低操作电压与操作电流）。其性能随铋掺杂浓度变化有所改变,结果表明铋掺杂浓度为4.8%的器件性能最优,较纯氧化锡器件功耗降低幅度最大。论文进一步研究了Bi:SnO2忆阻器的阻变机理。通过电流拟合结果得掺杂前后ITO/Bi:SnO2/Ti N器件均为导电细丝机制。进一步通过TEM等表征手段,观测到阻变层中间形成氧化锡晶体,且铋原子环绕分布于氧化锡结晶周围。由此,我们提出了新型同轴铋原子导电细丝,成功解释忆阻器功耗降低及性能优化的原因,并且拓展了人们对忆阻器阻变机理的理解。论文还重点研究了基于二维Cu3P材料的光电柔性忆阻器。该忆阻器具有良好的循环稳定性、较大的存储窗口以及光电调谐多级存储特性。同时,忆阻器弯曲半径达到10mm,弯曲次数达到103次,阻变性能均未退化。进一步对忆阻器的类脑学习行为进行研究,结果表明Cu3P忆阻器在光电调谐下能够实现多种突触仿生功能,且具有“学习-遗忘-回溯”的人脑学习记忆功能。综上所述,论文通过材料优选和结构设计的方法,获得了低功耗忆阻器并提出新型同轴导电细丝模型以及高性能认知忆阻器,为忆阻器的性能优化、功耗降低以及机械柔韧性改善等关键性的科学问题提供了有效方法。本研究为忆阻器的非易失性存储和神经形态应用奠定了硬件基础。