面对大数据时代的海量信息挑战，信息存储与处理功能融合的新型信息器件被认为是突破传统冯诺依曼计算机体系架构瓶颈的关键。纳米级兼具信息存储和处理功能的认知存储器件是实现未来大规模并行运算的基本单元。基于硫系化合物的非晶-晶态相变和忆阻阻变原理的信息存储器件具有低功耗、高速、高密度、高可靠性等优点，有望替代闪存并成为下一代新型存储级内存技术的有力竞争者之一。此外，硫系化合物器件已经初步展示出其应用于非易失性逻辑门、类脑认知运算等信息处理领域的巨大潜力。　　本文针对基于硫系化合物的具有类神经元突触功能的认知存储器件研究中的关键问题，在材料与器件制备、忆阻机理、非易失性逻辑门、电子神经元器件、电子突触器件、联想学习及长短期记忆等认知功能实现等方面展开了系统研究，有望为未来构建信息存储和处理融合的新型计算机体系架构奠定器件基础，研究结果概述如下：　　（1）本文采用磁控溅射方法，制备得到了均匀稳定的Ge2Sb2Te5、GeTe、AgInSbTe硫系化合物薄膜，结合紫外光刻和剥离工艺制备出简单三层结构、crossbar交叉门闩结构以及T-型结构的认知存储原型器件。设计并搭建了认知存储器测试系统，形成了完整的认知存储器“材料-工艺-器件-测试-功能实现”研究架构。　　（2）在数字式逻辑运算方面，基于硫系化合物器件的相变机制可实现稳定可靠的“0”“1”二值存储特性，设计了由认知器件、定值电阻和开关构成的非易失性“与”、“或”和“非”三种基本布尔逻辑门，其运算结果直接非易失性地存储在门电路状态中，电路和操作方法的高效简洁性通过电路仿真和实验测试得到验证。基于相变磁性材料的相变控磁特性，在电学状态表征逻辑0、1外，引入磁逻辑状态，设计了一种能够实现“实质蕴涵”、“与”、“或”、“与非”、“或非”逻辑运算的非易失性相变磁性逻辑器件。以上研究实现了信息存储和计算在单个器件单元或电路中的融合。　　（3）在模拟式类脑认知计算方面，提出以高阻非晶态硫系化合物器件为电子神经元器件，其两端分别为树突和轴突。器件在连续的低幅值电脉冲作用下产生焦耳热的能量累积，驱使材料晶化程度增大而导致逾渗现象发生，器件突变至低阻态。这一过程模拟了生物神经元在连续的兴奋性刺激下，刺激电位通过时间总和超过阈值激发动作电位的电特性。采用成核生长理论，结合ANSYS有限元热模拟方法，解释了连续电脉冲作用下的硫系化合物能量累积阈值相变特性。　　（4）实验发现了符合化学计量比的晶态硫系化合物TiW/Ge2Sb2Te5/TiW器件具有本征忆阻特性，提出硫系化合物材料的本征忆阻源自于指数型电荷陷阱分布参与的空间电荷限制导电机制。材料中晶格缺陷以及晶界缺陷在禁带中产生局域态作为电荷陷阱，捕获和释放注入的电荷导致了器件阻值变化。阻抗谱测试结果验证了上述机制，并且表明晶界缺陷对晶态 Ge2Sb2Te5忆阻特性的贡献要远大于晶格缺陷。实验还发现Ag/GeTe/Ta和Ag/AgInSbTe/Ag等器件都展示出基于电化学金属化反应的非本征忆阻特性，电场作用下功能层中Ag导电通道的形成和断开使器件在高低阻态间可逆切换。　　（5）提出硫系化合物认知器件可用作类脑计算中另一基本单元——电子突触器件。突触器件在兴奋性和抑制性脉冲刺激下，其权重调节稳定可重复。基于“阈值”和“时间”原则，设计了突触前和突触后刺激脉冲形式，两者共同诱导了四种活动时序依赖突触可塑性（STDP）。通过调控突触前后刺激的时间尺度，成功实现毫秒级到纳秒级的STDP时间常数调制，其中最快STDP功能比人脑中相同功能（约50ms）快十万倍。　　（6）采用硫系化合物认知器件成功实现了活动频率和强度依赖的Hebbian学习法则。高频率或高幅值强度的突触后刺激能诱导突触器件发生长时程增强，低频率或低幅值强度的突触后刺激则诱导长时程抑制。发现了突触的权重饱和现象，在连续的刺激作用下，突触的学习展示出一种指数型学习过程。这样的现象源自于电荷陷阱的填满或者多条金属导电通道的稳定形成。突触饱和是对Hebbian理论的内在约束，对于保持神经环路的稳定具有重要作用。　　（7）结合硫系化合物认知器件的数字式二值开关和模拟式电阻渐变调控性质，提出了一种简洁高效的联想学习功能实现方案，设计的巴甫洛夫狗电路具有符合生物时序规律的联想学习和遗忘功能。设计了硫系化合物认知器件记忆固化功能的实现方案，分别以基于Ag导电通道的易失性低阻态和基于晶态的非易失性低阻态来表征认知存储器的短期记忆和长期记忆。器件还展示出类似于生物艾宾浩斯曲线的记忆遗忘特性。