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RRAM器件的性能与其阻变层材料有着紧密联系，现在已经在很多的材料中发现了非易失性的阻变特性，其中，钙钛矿(Perovskite)结构材料具有独特物理和化学性质，如铁磁性、铁电性等，在实现RRAM器件多功能化方面具有巨大的潜力，成为RRAM器件中被广泛研究的材料之一。BaTiO3(BTO)和BaxSr1-xTiO3(BST)是典型的钙钛矿结构半导体材料，目前基于这两种薄膜的RRAM器件已有报道，但BTO和BST薄膜的制备多采用磁控溅射、脉冲激光沉积和溶胶凝胶等方法，这些方法制备的薄膜需要经过较高温度退火才能晶化，且开关比较小。另外，不同制备方法制备的同种材料薄膜其电阻转变特性往往存在差别，因此本论文另辟蹊径，利用水热法在较低的温度下就可以制备出纯度高、薄膜各元素计量比可控、附着力强的晶态薄膜等特点，在较低温度下(≤200℃)制备出晶态BTO和BST薄膜，系统的研究了单晶BTO、单晶BST(掺Sr的BTO)及多晶BST的电阻转变性能及机理，并建立基于BST薄膜的仿真模型，研究了它们的电阻转变特性及微观机理。主要的结果如下：
1.在单晶SrTiO3:Nb(NSTO)基片上水热外延生长出常温铁电相BTO薄膜，并研究了其阻变特性。研究表明，(1)BTO薄膜在±5V电压下可以实现薄膜的极化与翻转；(2)Pt/BTO/NSTO阻变存储单元在较小的扫描电压下(-1V~+1V)表现出明显的自整流特性，在较大的扫描电压下(-8V~+3V)，无需初始化过程(forming过程)，就能表现出双极性电阻转变特性；(3)调节Pt/BTO/NSTO阻变存储单元的reset电压或者控制正向限流值的大小，阻变存储单元能够得到多种阻态；(4)减小电压扫描速率能够使阻变存储单元获得较稳定的负微分电阻特性。
2.单晶BTO薄膜中掺入Sr离子形成BST薄膜，并研究了(Pt或Ag)/BST/NSTO阻变存储单元的阻变性能及机理。研究表明，(1)Pt/BST/NSTO阻变存储单元在较小的扫描电压下(-1V~+1V)表现出明显的自整流特性，而在较大的扫描电压下(-6V~+3V)，表现出稳定的双极性电阻转变特性，高、低电阻态的比值高达104。当将正向电压增大到+5V，存储单元在350次I-V循环扫描过程中表现出稳定的负微分电阻特性。存储单元的电阻转变机理为肖特基界面和SCLC传导机制(电子的捕获与释放)的共同作用。通过调节reset电压，存储单元表现出多种电阻态。(2)Ag/BST/NSTO存储单元电阻转变特性与Pt/BST/NSTO存储单元相似，在小的扫描电压下(-1V~+1V)表现出整流特性；在较大的扫描电压下(-6V~+3V)表现出双极性电阻转变特性。
3.用水热法制备了多晶BST薄膜，并研究了Pt/BST/TiN/Pt存储单元的电阻转变特性及机理。研究表明，(1)存储单元开始时为顺时针电阻转变(CWRS)，随着循环次数的增加，存储单元变为逆时针电阻转变(CCWRS)，其电阻转变机理为氧空位导电细丝机制。(2)CWRS过程的set与reset过程分别对应导电细丝与上电极的连通与断开，而CCWRS过程的set与reset过程分别对应导电细丝有效横截面的增大与减小，I-V特性的反转来源于氧空位浓度的变化。
4.采用动力学蒙特卡罗法(KMC)建立Pt/BST/TiN/Pt仿真模型，并研究了其电阻转变特性和微观机理。结果表明，(1)此模型能够较好的模拟基于多晶BST薄膜的阻变单元的电阻转变性能，对其阻变机理的仿真进一步证明基于多晶BST薄膜的阻变机制为氧空位导电细丝机制。(2)仿真单元随初始氧空位浓度的增加，其forming电压逐渐降低，其微观机理为电场强度在初始态氧空位处集中，初始氧空位浓度越高，电场的集中程度就越大，越有利于氧空位导电通道的形成，完成forming操作的电压越低。
1.在单晶SrTiO3:Nb(NSTO)基片上水热外延生长出常温铁电相BTO薄膜，并研究了其阻变特性。研究表明，(1)BTO薄膜在±5V电压下可以实现薄膜的极化与翻转；(2)Pt/BTO/NSTO阻变存储单元在较小的扫描电压下(-1V~+1V)表现出明显的自整流特性，在较大的扫描电压下(-8V~+3V)，无需初始化过程(forming过程)，就能表现出双极性电阻转变特性；(3)调节Pt/BTO/NSTO阻变存储单元的reset电压或者控制正向限流值的大小，阻变存储单元能够得到多种阻态；(4)减小电压扫描速率能够使阻变存储单元获得较稳定的负微分电阻特性。
2.单晶BTO薄膜中掺入Sr离子形成BST薄膜，并研究了(Pt或Ag)/BST/NSTO阻变存储单元的阻变性能及机理。研究表明，(1)Pt/BST/NSTO阻变存储单元在较小的扫描电压下(-1V~+1V)表现出明显的自整流特性，而在较大的扫描电压下(-6V~+3V)，表现出稳定的双极性电阻转变特性，高、低电阻态的比值高达104。当将正向电压增大到+5V，存储单元在350次I-V循环扫描过程中表现出稳定的负微分电阻特性。存储单元的电阻转变机理为肖特基界面和SCLC传导机制(电子的捕获与释放)的共同作用。通过调节reset电压，存储单元表现出多种电阻态。(2)Ag/BST/NSTO存储单元电阻转变特性与Pt/BST/NSTO存储单元相似，在小的扫描电压下(-1V~+1V)表现出整流特性；在较大的扫描电压下(-6V~+3V)表现出双极性电阻转变特性。
3.用水热法制备了多晶BST薄膜，并研究了Pt/BST/TiN/Pt存储单元的电阻转变特性及机理。研究表明，(1)存储单元开始时为顺时针电阻转变(CWRS)，随着循环次数的增加，存储单元变为逆时针电阻转变(CCWRS)，其电阻转变机理为氧空位导电细丝机制。(2)CWRS过程的set与reset过程分别对应导电细丝与上电极的连通与断开，而CCWRS过程的set与reset过程分别对应导电细丝有效横截面的增大与减小，I-V特性的反转来源于氧空位浓度的变化。
4.采用动力学蒙特卡罗法(KMC)建立Pt/BST/TiN/Pt仿真模型，并研究了其电阻转变特性和微观机理。结果表明，(1)此模型能够较好的模拟基于多晶BST薄膜的阻变单元的电阻转变性能，对其阻变机理的仿真进一步证明基于多晶BST薄膜的阻变机制为氧空位导电细丝机制。(2)仿真单元随初始氧空位浓度的增加，其forming电压逐渐降低，其微观机理为电场强度在初始态氧空位处集中，初始氧空位浓度越高，电场的集中程度就越大，越有利于氧空位导电通道的形成，完成forming操作的电压越低。