中文摘要：

采用脉冲激光沉积法，磁控溅射，电子束蒸发和热氧化等方法，制备具有不同结晶度、晶粒尺寸、结晶取向、微观缺陷等材料学特征的过渡金属氧化物薄膜材料，研究薄膜微观晶态结构对电阻记忆性能的影响规律。通过薄膜材料的磁、热、光和电等宏观物理性能的表征，建立薄膜微观结构和功能基元（如相结构、电子能带结构、界面畴结构和极化子等）与电阻记忆性能的联系，深入探讨电阻记忆性能的物理机制。通过对制备与后处理条件的实时监控，实现薄膜微结构的设计与可控制备。在此基础上，优化过渡金属氧化物薄膜材料与电极的组合方式，为电阻式随机存储器（RRAM）的研究开发提供理论基础和实验数据。 RRAM型高速、高密度、低能耗非挥发性存储器，有望取代闪存技术，在高速增长的移动电话、数码（摄）相机等民生电子产品方面具有广阔的应用前景。

结论摘要：

电阻式随机存储器（RRAM）以其结构简单、存储密度高、读写速度快等优势，在下一代非易失性存储器中脱颖而出，并已成为当前材料学、微电子学、物理学等研究领域的热点。电阻式随机存储器是由三明治结构的存储单元—金属电极/氧化物薄膜材料/金属电极（MOM）组成，利用存储单元在外加电场诱发的高低电阻态来实现信息存储的“0”和“1”。目前，RRAM主要存在以下三方面的问题（1）、电阻转变的基本物理机制仍不清楚；（2）、性能方面，存在较大的Forming电压、阻变参数比较分散、Reset电流过大等问题；（3）、三维交叉堆叠器件化后易引起交叉串扰的问题，即读取指定存储单元的数据时，流经周围存储单元的电流会严重的干扰读取信号。本项目针对上述RRAM研究的热点问题，以过渡金属氧化物电阻转变薄膜材料及其存储单元为研究对象，围绕薄膜制备、器件结构和阻变机理与性能等方面展开研究，具有代表性的主要工作分为以下四个部分 [1] 通过控制电极材料结构和组分，调节M/LCMO 界面结构，显著改善PBRS 和NBRS 的稳定性、均匀性和疲劳性。NBRS 对应异质结的转变速度快，阈值电压低，但其良品率低，易发生疲劳。创新性地设计制备多组分的Ag-Al 合金电极，发现金属电极氧活性对M/LCMO 界面结构和电阻转变疲劳性具有重要影响。通过控制Ag-Al 电极组分可有效调节电极氧活性，显著提高NBRS 的良品率和疲劳性。 [2] 设计制备出初始态具有整流特性的存储单元(Pt/TiO2/Pt)，并通过精确控制电压扫描过程，在Pt/TiO2/Pt存储单元中实现了稳定的单极性与双极性电阻转变的可逆调控，据此提出了主导单极性电阻转变的丝通道理论和主导双极性电阻转变的界面理论的统一模型。 [3] 将单晶二氧化钛纳米线阵列应用到RRAM中，系统研究了Pt/TiO2/FTO的结构存储单元初始态的整流特性和阻变特性，单晶TiO2纳米线阵列的这种特殊结构导致其电阻转变参数分布非常集中。 [4] 通过引入氧化物电极(ITO)，制备ITO/ZnO/Pt/ZnO/Pt的叠层结构(其中ITO/ZnO/Pt为开关单元，Pt/ZnO/Pt为存储单元)，证实ITO/ZnO/Pt的开关单元能很好的抑制交叉串扰的问题