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随着器件尺寸的缩小，多晶硅浮栅型闪存面临着如何实现高可靠性、更快速度、更低功耗以及更低工作电压的巨大挑战。同时，随着低成本、便携式和柔性电子系统的广泛应用，人们对存储器的需求日益多样化。本论文基于新器件结构、新材料和新工艺，开展了新型非易失性存储器件的研究。首先研究了电荷俘获型硅纳米晶粒存储器件和有机纳米晶粒存储器件，然后重点研究了有机小分子存储器件和高分子聚合物存储器件。
针对传统多晶硅浮栅闪存的可靠性随着器件等比例缩小而降低的问题，开展了以纳米晶粒作为俘获电荷介质的纳晶存储器件的研究。通过优化工艺参数，获得了适合存储器应用的纳晶颗粒大小和密度，并成功应用到纳晶电容结构的制备中。比较了不同方法制备的纳晶电容的FN编程特性，结果显示低能离子注入比LPCVD制备的纳晶电容具有更大的阈值窗口。此外，对比了在150℃的高温下，纳晶存储和多晶硅浮栅中存储电子的保持特性，实验结果充分显示出了纳晶结构具有保持能力强的特点。研究结果对于将纳晶结构引入到新型存储器结构中具有重要的指导意义。
针对目前报道的有机纳晶存储器件兼容性和化学稳定性差的问题，首次提出了基于金纳晶和聚对二甲苯材料的有机纳晶存储器件。选用的聚对二甲苯材料性质稳定，耐酸碱，不溶于一般溶剂，与普通光刻工艺相兼容。采用标准光刻技术，成功制备了平方微米量级的小尺寸器件单元和十字交叉阵列，提高了有机纳晶存储器存储密度。该器件中间功能层的制备无溶剂污染，同时可为其它功能模块提供抗酸、碱、潮气的钝化保护层，并与CMOS技术具有良好的兼容性。本论文制备的器件提高了有机纳晶存储器的存储密度和兼容性，有利于推动有机纳晶存储器在低成本、柔性电子系统的未来应用。
针对目前有机小分子阻变存储器物理化学性能不稳定性和热稳定性差的问题，首次提出采用物理和化学性质稳定的有机小分子阻变材料-钛氧酞菁制备可反复擦写的有机小分子存储器件。制备的Al/TiOPc/ITO器件显示出较好的阻变特性：操作电压低、开关比高（～104），读取窗口大。该器件还体现了较好的保持特性，在1V的应力下、15000秒的应力测试中，器件无明显特性退化。通过对比不同电极材料实验和理论分析，提出该新型小分子器件的阻变机理是基于界面电化学反应和空间电荷限制电流效应。研究了该小分子存储器件的热稳定性，经过525K的1小时的高温实验，器件仍能保持阻变特性。这是单组分的小分子存储器件热稳定性最好的报道，为小分子存储器的稳定性和光电多功能集成应用提供了新的思路。
目前，采用单组分聚合物材料制备的高分子聚合物存储器件往往存在只能一次写入、写入后不可擦除的问题，而采用多组分混合材料制备的聚合物存储器件又存在因不同成分含量的涨落造成器件性能一致性差的问题。针对目前存在的问题，本论文首次提出采用单组分的聚对二甲苯和活性电极材料制备可重复擦写的聚合物存储器件，为聚合物存储器的设计提供了器件设计的新思路。制备的器件展示出优异的存储特性，器件开关转换电压低（<3V），电流开关比高（107～108），读取窗口大。另外，器件开关速度快，擦、写速度均小于15ns，这是目前聚合物存储器擦写速度最快的报道。
同时，首次将该聚合物存储器件制备在聚对二甲苯柔性衬底上，实现了用一种有机材料制备柔性聚合物存储器件，具有制备成本低、无溶剂污染、良好的可移植性和兼容性等特点，体现出在柔性电子系统和聚合物.CMOS混合电路等方面的巨大应用潜力。