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人类学习的信息有70%以上来自它的视觉系统,它能够在复杂的环境中对各种物体进行识别和视觉信息的感知,这就推动了仿生视觉系统电子器件的发展,为未来的人工视觉提供了新的途径。虽然目前已经有了基于传统CMOS器件的机器视觉系统,但是这类系统还无法实现生物视觉系统的精准、高效、节能地对外界事物的探知。近年来,忆阻器在神经仿生学习中已崭露头角,这为构建全忆阻器基具有生物特征的视觉系统提供了可能,研究人员使用感光忆阻器调控电导完成了视觉系统对外部形状的感知和存储。但是用于模拟视网膜、神经元和神经突触的忆阻器性能还需要进一步优化、仿生机理还不够清晰,这阻碍了基于忆阻器视觉系统的实际应用和开发。在本论文中,我们参照人类视觉系统——视网膜、神经元和神经突触这三个重要组成部分制备相应的忆阻器,通过材料优化来实现忆阻器性能的提升,并探索忆阻器在仿生应用当中的物理机制。论文主要研究内容如下:a)用于充当视觉系统中视网膜的忆阻器研究:在生物视觉通路中,视网膜起到了对外界的信息转化为神经信号,进而完成将外部信息传递到更高的视觉中心。在制备具有视网膜功能的忆阻器中通过采用电化学沉积和水热处理的实验方法,制备出纳米多孔单斜晶系的BiVO4薄膜有效地增大了器件的感光面积,使得制备TiN/BiVO4/FTO结构的光电忆阻器可以对波长408 nm,功率为11 pW/mm2的蓝紫光在恒定电压模式下能够产生5.86mA大的感光电流,使得器件具有154.6倍的光/暗电流比,有效地克服了器件响应电流低、开关比小的问题。采用实验中制备的光电忆阻器能够实现对“L”形光学信号的感知,初步完成了充当视网膜的器件要求,并且在同时输入光信号和电信号情况下,单个元件可以出色地完成了二进制OR逻辑,这使得器件在数字逻辑中极大地增加了逻辑的集成密度。b)用于构建视觉系统神经元的忆阻器研究:采用脉冲激光沉积系统分别在Nb掺杂SrTiO3衬底和La0.3Sr0.7MnO3衬底上制备了晶格取向为（120）的M1相晶体的VO2薄膜,并制备出Au/VO2/衬底为结构的忆阻器。首先通过在不同的Nb掺杂衬底的器件中发现,通过有效的调节衬底的掺杂浓度可以调节器件的特性。通过对比0.05 wt%、0.1 wt%和0.5 wt%三种掺杂浓度的器件发现,整体电流在10mA量级浓度为0.05 wt%器件没有明显的相变特性;但是随着衬底浓度从0.1 wt%提升到0.5 wt%,器件发生相变的电压从3.17 V降低到了1.2 V,有效势垒高度从0.579 eV降低到了0.387 eV、有效势垒宽度从9.8×10-8 m降低到1.3×10-9 m、有效掺杂浓度则从6.1×1015 cm-3增加到4.15×1020 cm-3,这说明VO2的相变可以通过调节器件中的势垒从而调节在器件中产生的焦耳热来实现,故器件的相变不受电场的方向控制,这为制备VO2基忆阻器提供了理论基础。在原位电场透射电子显微镜的测试中直接发现了M1→M1和R相共存→R相的转变过程,并且相关的结果与原位的导电原子力显微镜相一致,这说明基于相变的器件可以有效的克服固态电解质基导电细丝局域化、不可控的缺点。然而在La0.3Sr0.7MO3底电极上制备器件的I-V表现出了良好的对称性和双向threshold特性的忆阻器,这为选通管并联电容器实现的人工神经元打下坚实的器件基础。c)用于构建视觉系统中神经突触的研究:由于神经突触在计算和存储时的信号是模拟可调的,故制备具有模拟可调非易失的忆阻器则显得尤为的重要,为了增加传统阻变存储器中电阻状态的状态值,在本论文中采用两种办法:（1）采用量子电导的方法为器件提供多值电阻及准连续的电阻状态。采用磁控溅射系统制备出了Cu/Zr0.5Hf0.5O2/Pt结构的忆阻器,通过调节导电细丝的形成,使得器件具有了稳定的（1、2、3···、10）整数量子电导和（0.5、1.5、2.5、3.5、4.5···）半整数量子电导,且这些量子电导状态在1048个台阶中呈现了高斯分布。在使用光刻技术和电子束曝光技术下分别制备的3mm×3mm和500 nm×700 nm尺寸的器件也表现出良好的量子电导平台。这些量子电导状态可以有效地增加器件的存储状态,并且这种量子电导器件在模拟生物神经突触刺激信号下,器件可以很好的完成具有生物突触特征的尖峰时刻依赖突触可塑性（STDP）和双脉冲异化（PPF）学习功能,实现了器件40 ns/60 ns的开关速度和3 pJ/8 pJ功耗。更加重要的是器件在低电阻状态下在0.6V的电压范围内接近1的线性度,使得器件在线性乘法的算法中实现高精度的模式识别,并且这个量子电导器件为构建视觉系统中的神经突触提供了器件基础。（2）采用金属纳米团簇来调节器件电导的连续性。为了实现忆阻器电阻状态实现双向连续可调、降低器件开关电压,我们分别采用在无机金属氧化物和有机物两种材料体系当中掺杂金属纳米团簇的办法来验证这个方案的可行性:（Ⅰ）无机氧化物:使用磁控溅射系统通过氧化物和金属共溅射的手段,在无机氧化物TiO2中梯度掺杂金属Ag元素的办法,使得这些掺杂的金属Ag在TiO2薄膜中形成了梯度分布的金属纳米团簇,并且实现了器件的I-V从正负向跳变转换为正负双向连续变化,并且这些连续变化可以被直流电压扫描模式和脉冲模式进行调节。通过利用器件电导的双向连续可调很好的模拟了生物突触的兴奋和抑制功能,在使用模拟生物信号的脉冲信号刺激下,器件可以成功的实现生物突触的STDP、PPF和短期记忆到长期记忆的转变（STM-LTM）等学习和记忆功能,其中在STDP的实验中采用了从6ms到200ns的脉冲间隔,这相比生物神经突触快了大约105倍。通过在器件中有效的掺杂纳米团簇,器件也具有50 ns/50 ns的快速开关速度和26.0 pJ/22.9 pJ的低能量消耗。（Ⅱ）有机材料:通过在有机蚕丝蛋白中掺杂纳米团簇使得器件的打开电压分别从1 V降低到0.40 V和0.12 V,关闭电压从-3 V降低到-0.20 V和-0.08V。通过掺杂金属纳米团簇,可以有效的降低了器件在高/低电阻状态的弥散性,使得器件高低电阻比值达到102倍同时也增加了器件电阻的连续性。纳米团簇掺杂蚕丝蛋白器件也可以模拟神经突触的增强和抑制,完成了生物突触中STDP和PPF的学习和记忆规则,这为拓展生物有机电子提供了研究方向;最后将纳米团簇放入蛋白酶溶液中,器件中的蚕丝蛋白膜完全被降解,这为制备可降解、环境友好型绿色电子提供了研究方向。