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相变存储器(PCRAM)具有读取速度快、功耗低、集成度高、与CMOS工艺兼容等优点，被公认为最具潜力的下一代非易失性存储器之一。降低相变存储单元的功耗、提高相变速度以及实现高密度存储已成为业界研究的热点。传统Ge2Sb2Te5(GST)相变材料存在着操作功耗较高、速度较慢的问题。本论文从器件结构优化的角度，设计了采用石墨烯单层薄膜作为限制层的新型相变单元，大幅降低了PCRAM器件单元的功耗。 有限元热场理论模拟证实，在传统T型GST相变单元中植入单层石墨烯作为限制层能够抑制相变焦耳热的流失，将热量集聚在底电极与石墨烯限制层之间，其核心熔化温度能比传统GST单元高～300K，从而大幅减小有效可逆相变区域，降低器件操作功耗。这是因为石墨烯具有较大的层间电阻率和低热导率，可大幅提高相变单元整体多晶化(SET)阻值，并同时抑制焦耳热由底加热电极向上电极的扩散，显著减小了相变单元的编程电流并降低了非晶化(RESET)操作功耗。高分辨电镜结果也证实了石墨烯限制层对有效相变区域的调控作用。与传统GST相变单元相比，石墨烯限制层相变单元RESET操作电压下降了54.1％，RESET电流降低了85％，RESET功耗仅为传统GST单元的17.0％，并且具备了106次可逆循环写擦寿命。