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相变存储器(PCRAM)具有较低的操作电压和较快的读写速度，被认为是最具潜力的下一代非易失性存储器之一。相变材料是PCRAM的核心。本论文研究了失配型相变材料Cu-Ge-Sb-Te、W-Sb-Te、Al-Sb-Te，以及低失配型相变材料TiTe2-Sb2Te3，并在这二者的基础上，探索出一条掺杂元素碲化物是否与Sb2Te3晶格结构匹配的设计原则，设计出了高适配的Sc-Sb-Te新型相变材料，实现了皮秒级可逆相变，为PCRAM实现高速缓冲存储器应用指明了方向。本论文主要结论包括: 1.失配型相变材料:器件疲劳寿命不佳。 Cu掺入Ge2Sb2Te5(GST)后，材料熔点大幅度下降使得器件功耗可大幅降低，但材料出现严重分相，阻碍速度和疲劳寿命的提升;W掺入Sb2Te3后有利于获得较高的结晶速度，但掺杂量的增加并不利于降低功耗且器件疲劳寿命低下;Al掺入Sb2Te3后，相变过程中存在Al原子配位数的转变，但Al2Te3与Sb2Te3的晶格失配同样不利于获得优良的疲劳特性。 2.低失配型相变材料:改进Ti-Sb-Te体系疲劳特性。 因TiTe2与Sb2Te3相似的晶格结构，～11％的晶格失配度下，Ti0.4Sb2Te3在速度、功耗方面均优于GST。但单纯增加Ti掺杂剂量会导致严重的Ti分相，器件高低阻分辨率较小且疲劳循环特性变差。通过同步引入适量的Te掺杂，构造TiTe2-Sb2Te3的类伪二元相变材料Ti1Sb2Te5，证实低热导率TiTe2的增多可使Ti1Sb2Te5器件的功耗相比于Ti0.4Sb2Te3进一步减少42％～47％，并且具有～107疲劳寿命。 3.高适配型相变材料:皮秒级可逆相变。 通过系统筛选过渡族元素，确定以Sc掺杂Sb2Te3。因晶态Sc2Te3与Sb2Te3有相同的面心立方结构，且晶格失配度仅～4.12％。Sc-Sb-Te材料可在非晶相与面心立方相之间进行转变，Set操作速度可达700 ps，并且在施加了孵化电压后可实现500 ps的Set操作。Sc-Sb-Te器件的功耗比GST器件降低了87％，并实现了～105皮秒级可逆循环。