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阻变存储器(RRAM)是基于介质材料阻变特性的新型存储器，其器件结构是金属-绝缘体-金属（半导体）的器件结构，利用中间阻变层在外加电场作用下发生不同电阻态间发生可逆转变的效应实现信息存储的。阻变存储技术是当前微电子集成技术领域前沿的热点研究问题之一。到目前为止，已经在多种介质材料中观察到了阻变现象。在HfO2、CeO2、TiO2等过度金属氧化物材料中表现出良好的阻变特性，但是阻变现象的物理机制还不明确。同时阻变存储技术的可靠性、成品率、器件稳定性还有待提高。第一性原理计算来进行材料的研究成为可靠的研究手段之一。本论文运用第一性原理计算对HfO2材料特性和掺杂效应及其对器件性能的影响进行了研究，试图为阻变器件的机制研究和材料选择提供有意义的理论支持。论文开展的主要研究工作和取得的创新性成果包括: 1、针对HfO2体系，建立了利用第一性原理计算方法研究，其氧空位缺陷能级特性及其与阻变器件电学特性关联性的模拟方法。 2、基于所建立的模拟方法，研究了HfO2体系中不同原子掺杂，对氧空位缺陷能级的影响。研究表明，Al掺杂对氧空位能级的强钉扎效应，Ta掺杂对氧空位能级的弱钉扎效应。 3、对器件高阻状态下的导电机制进行分析，基于深能级载流子hopping模型和浅能级载流子热激发模型。对导电特性进行了模拟仿真。仿真结果与实际制各样品的测试结果相符，验证了第一性原理计算结果与导电机制模型的正确性。 本文取得的成果将有助于阻变器件的导电机制的研究和理解，对阻变材料和掺杂工艺的选择具有重要的指导意义。