忆阻器也称为阻变存储器（RRAM）,因具备结构简单、操作速度快、多级存储、与CMOS工艺兼容性强等优势,被认为是非易失性存储器的最佳候选者之一。ZrO₂具备卓越的阻变性能是忆阻器阻变层材料的候选材料之一,且可通过掺杂方式来调控阻变特性。然而,对氧化锆进行掺杂的规律尚不明确,容易导致实验的盲目性。论文运用第一性原理计算研究ZrO₂基忆阻器的掺杂效应,阐明掺杂优化器件性能的深层次原因,能够指导和验证实验。论文首先研究ZrO₂基忆阻器的Au掺杂效应。通过使用Materials Studio软件建立96个原子的ZrO₂超晶胞模型,并基于CASTEP代码模块计算ZrO₂超晶胞的能带结构和能态密度。结果表明在Au掺杂ZrO₂的带隙中出现了杂质能级,并将氧空位缺陷能级推到导带底,因此可以提高ZrO₂中电子的导电能力。通过计算ZrO₂中氧空位形成能和迁移势垒能,发现Au掺杂有效地降低了氧空位形成能和迁移势垒能,Au掺杂后易于形成更多的氧空位,并且氧空位倾向于朝着Au原子方向迁移。进一步模拟ZrO₂超晶胞的氧空位列,结果表明局域在Au周围的氧空位形成有序导电通道,电子可以在氧空位列中实现定向输运。论文重点研究N掺杂对ZrO₂基忆阻器阻变性能的影响。一方面,从理论上计算ZrO₂超晶胞中氧空位形成能和迁移势垒能,结果表明N掺杂后,氧空位形成能和迁移势垒能都显著降低。通过计算ZrO₂态密度,发现N掺杂可以消除ZrO₂禁带中缺陷态,中和ZrO₂中多余的氧空位,并且可能会减少氧空位导电细丝的数量。另一方面,从在实验上,我们发现Ti N/N:ZrO₂/Pt器件表现出稳定的双极性阻变特性,并且具有更小的操作电压、更大的阻变窗口,器件阻变参数的一致性变好,具有多级存储特性。该实验结果能够从理论中获得依据。综上所述,论文研究了ZrO₂基忆阻器Au和N的掺杂效应。论文研究结果表明掺杂原子Au和N可以有效地降低氧空位形成能和迁移势垒能,并控制氧空位优先聚集在掺杂原子周围并形成导电细丝;同时,Au和N原子掺杂后还能够减小器件的Forming电压和SET/RESET电压,提升器件阻变参数的一致性,为氧化锆基忆阻器的掺杂效应研究提供了可靠的理论基础和实验依据。