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近年来,随着智能手机,数码相机,平板电脑,移动存储设备等便携式电子产品的普及和不断发展,非易失性存储器市场不断扩大。基于电荷存储概念的闪存是非易失性存储器市场的主流产品。然而,闪存存储器存在编程速度慢(>10肛s),耐久性差(<106个周期)和高工作电压(>10 V)等缺点,同时,其尺寸微缩也将逼近其物理极限,性能难以进一步提升。因此,迫切需要开发新型非易失性存储器。基于电致阻变效应的阻变存储器(RRAM),具有结构简单、材料与CMOS工艺兼容、速度快、可微缩性好、易于三维集成等优势,被认为是最有前途的下一代非易失性存储器。但是,RRAM存储器仍然还存在一些挑战,包括:阻变机制不完全清楚,多值存储难以调控,器件参数离散性大,复位电流与数据保持性能难以同时优化等。针对以上问题,本论文围绕RRAM的物理机制和性能调控两个重要问题进行了研究,具体工作如下:(1)针对RRAM的多值存储,提出了阻变功能层中掺杂金属纳米晶实现负微分电阻(NDR)效应的思路;采用离子注入方法,在Pt/Si02/Pt阻变功能层中形成了 Pt/Ag的金属纳米晶,器件表现出双向的负微分电阻特性,通过RESET截止电压的调控,实现多值存储;通过透射电子显微镜(TEM)、能量色谱仪(EDS)等物性分析方法,阐明了多值存储的物理机制是电子在金属纳米晶之间隧穿传输,调控施加电压大小使能带弯曲程度不同,隧穿通道变化,隧穿电流大小不同,实现多值存储。(2)针对RRAM的RESET电流,提出了二维材料界面改性的方法,在RRAM器件中插入多层二硫化钼(MoS2),制备了 Ag/ZrO2/MoS2/Pt器件;利用MoS2电导率较小的材料特性,实现了 SET过程中过冲电流的抑制,从而将RESET电流降低了一个数量级;利用MoS2热导率差的材料特性,实现了器件RESET过程由突变向缓变的转变,利于实现神经突触仿生功能;通过MATLAB模拟细丝生长的动态过程,发现Forming过程中,MoS2插层器件内部温度更高,导致更多Ag离子进入阻变功能层,降低了阻变层的介电特性,并且在MoS2的分压作用下,实现缓变的RESET现象。