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为了克服传统存储器件所存在的缺陷，人们提出了许多新型的器件，包括相变存储器(PcRAM)、铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)以及阻变存储器(RRAM)。其中，基于氧化物半导体材料的阻变存储器凭借其突出优势得到了人们广泛的关注，例如:简单的金属-氧化物-金属三明治结构、存储密度高、读写速度快、功耗低、与CMOS兼容性好以及由于其阻变现象只发生于很小一部分区域导致的缩小器件尺寸和提高集成度方面的优势。 尽管对阻变存储器的研究最早可以追溯到50年前，但对于器件阻变现象的微观机制解释还尚未明确。然而在众多对阻变现象的解释理论中，基于导电细丝现象的两种物理机制是被大多数人所接受的。其中一种是掺杂金属元素的迁移所形成的金属导电通道，有些金属可以直接参与通道的产生。阻变现象的另一种微观机制就是本征缺陷氧原子空位的产生与迁移。并且很多宏观实验都证明了向体系中掺杂金属元素可以很好地提高阻变行为的性能参数。从而可见缺陷在器件的阻变现象中扮演着有决定性的角色。因此，为了了解器件的阻变机理以及提高器件的性能，就需要对缺陷在阻变体系中的作用进行深入的研究。 为了研究器件的微观机理，本文在不考虑外加电压的情况下应用第一性原理对基于HfO2阻变材料的RRAM器件进行了模拟计算和分析。材料晶胞中的缺陷分为两类:掺杂和本征缺陷。本文分别对掺杂金属和本征氧空位缺陷的效应进行了探究。首先根据掺杂原子所存在位置的形成能大小，我们将金属掺杂物分为两种类型:间隙式和替位式。通过模拟掺杂体系的分波电荷密度，我们在掺有间隙式金属原子的体系中观察到了导龟细丝，而在掺有替位式金属的体系中未发现细丝。在对体系的态密度和分态密度的分析中我们发现间隙式金属掺杂物可以直接参与导电细丝的形成而替位式金属无法形成导电细丝。据此，我们可以将掺杂金属进行初步分类并为基于金属导电细丝器件的掺杂物选择作出了理论指导。接下来我们探究了掺杂金属与氧空位同时存在的情况下，掺杂金属对氧空位细丝的作用，并根据结果对金属掺杂物进行了进一步的分类。最后探究了氧空位本征缺陷在HfO2阻变行为中的效应。首先在十个不同方向体系中，通过计算分波电荷密度、形成能、最高等势面值、迁移势垒以及能带结构，确定了氧空位导电细丝的最佳形成方向为[010]晶向。根据此结果，我们在[010]晶向上建立了不同的浓度模型并对它们进行模拟分析。结果发现氧空位浓度低于4.167at.％的体系几乎不导电，无法发生阻变行为。当氧空位浓度从4.167at.％逐渐增加到6.25at.％，系统可以观察到阻变现象，但是导电细丝形成难度也随之增加。此外，高浓度系统却也呈现出了整体的稳定性与均匀性。研究结果对RRAM宏观特性的理解与优化存在一定的积极作用。 总之，本文对基于HfO2晶胞结构的阻变存储器件中缺陷的效应进行了一系列的探究。第一章概述了存储器的分类和研究现状以及面临的一些问题，从而说明本文的选题意义。第二章对于阻变存储器的微观结构和工作原理作了具体介绍，同时介绍了本文的研究方法。第三章对金属掺杂物在HfO2体系中的效应作了具体研究并将掺杂金属进行初步分类。此外还研究了两种缺陷同时存在时掺杂金属对氧空位作用并据此对金属掺杂物进行了进一步的分类。第四章对氧空位本征缺陷在HfO2体系中的效应作了具体研究。最后，第五章对本文的工作做了总结和展望。