随着计算机技术和互联网行业的飞速发展，新型电子产品对信息存储容量的需求越来越高，研发新一代非易失性存储技术成为了迫切需要解决的问题。目前主要的候选技术包括铁电随机存储器，磁性随机存储器，相变随机存储器和阻变随机存储器等等，其中阻变式随机存储器因其尺寸较小，结构简单，响应速度快以及与传统半导体工艺兼容等优点，受到了众多研究机构和相关企业的共同关注。随着研究工作的不断深入，人们逐渐认为大部分器件的阻变过程形成了导电细丝通道，且其演化过程是决定器件性能的关键因素。因此，利用微观表征手段研究导电丝通道的特征成为了许多研究组所密切关注的问题。已有文献报道了利用透射电子显微镜，扫描电子显微镜，扫描探针显微镜等手段直接观测导电丝通道的实验结果，但这些方式都具有一定局限性。比如透射电镜的制样过程会引入额外的缺陷，而扫描电镜和扫描探针显微镜更多的是反应样品表面的信息。此外，这些微观表征技术在动态过程研究上也存在着难点。因此，如何更有效、更本征地表征电致阻变现象的动力学过程，是本论文研究工作的出发点。基于以上考虑，选取了几种典型二元氧化物为阻变介质材料，利用原位光学表征手段和水平限域结构的器件设计，系统地研究了氧化物材料电致阻变效应的动力学过程。论文主要的研究成果如下:　　1.基于钨氧化物电致变色效应和光学显微方法，成功在捕获了微米尺度导电通道的形成演变过程，建立起导电通道微观特征与器件宏观电学特性之间的关联性。发现，初始Forming过程会使均匀WOx薄膜形成形成一种特殊的非对称电学结构，器件阴极附近会逐渐生长出透过率较低的导电通道（虚电极），而在阳极附近形成透过率较高的绝缘层。导电原子力显微镜和微区拉曼光谱对明暗区域的分析结果表明，黑色通道部分导电性较好并具有较多的氧空位缺陷，而白色透明区域具有良好的绝缘性且W/O化学配比接近1/3。这说明阻变区域的WOx薄膜在外电场的作用下氧离子/氧空位进行了重新分布，也就是说WOx器件的导电通道是由氧空位缺陷构成的。进一步证实正是这种非对称电学结构导致了典型的双极阻变行为，并通过光学系统完整地记录了set/reset操作中导电通道的动态演变过程。从高阻态转变到低阻态时，透过率很低、位置更局域的小通道会逐渐贯穿绝缘层，同时在小通道的前端形成透过率相对较高的弧形光晕层。而随着器件从低阻态恢复到高阻态，绝缘层中的小通道会逐渐断开，同时弧形光晕层渐渐消失。通过原位观测成功建立了双极器件set/reset操作电学响应曲线细节与导电细丝以及弧形光晕形貌特征之间的一一对应关系，为如何调控器件稳定性、阻变窗口、多阻态等性能提供了最直观的物理图像。　　2.基于上叙方法，进一步发现了条形氧化钨水平结构器件的自适应行为，并研究了器件纵横比与阻变特性之间的关联性。在条形氧化钨器件中，发现器件的双极阻变性能随着高低阻循环操作次数的增加而逐步改善，最终达到稳定状态。结合原位光学监测的结果，认为器件性能改善与电极附近绝缘层的均匀扩展相关，forming过程随机形成的不规则明暗区域，在反复阻变循环中逐渐转变成规则形状，从而提高了器件阻变过程的稳定性，把这一行为称为自适应效应。同时，基于小通道尾端弧形光晕区域在电压脉冲下的定向移动过程，计算出了氧化钨薄膜中氧离子/氧空位的迁移率。认为，较高的氧离子迁移率，是氧化钨阻变器件产生自适应行为的主要原因，这一结果对于垂直氧化钨器件的结构设计和初始缺陷浓度调控提供了直接依据。　　3.系统研究了平面结构氧化钛纳米线器件中的阻变行为。由于器件尺度的限制，氧化钛纳米线中氧离子在电场驱动下下的迁移过程主要导致了纳米线两端氧空位的非均匀分布。氧空位浓度的改变同时伴随着纳米线与SrRuO3电极之间肖特基势垒高度的变化。因此在正负电场的反复调制下，纳米线器件呈现出极性可逆的整流特性电流电压曲线，并且在激光辐照下也得到了方向相反的光电流信号。这一性质体现出此纳米线器件多场读取的可能性。由于纳米线中氧离子的整体迁移，其输运行为的变化为缓变型，具有连续的中间阻态，成功地实现了器件的忆阻器功能，并结合器件多场读取的特性，利用不同方向的电场和光场，在同一器件单元中演示出了神经元突触的STDP、反STDP和Hebb效应等多种不同响应机制。这一结果表明了利用单一阻变器件实现多维神经元复合功能的可能性，对于复杂神经体系的模拟以及了人工神经网络的优化设计具有积极的意义。　　4.发现在通过特性forming过程的氧化镍单级阻变器件中，施加合适的连续电压脉冲，能够使得器件阻态产生周期性振荡。随着施加脉冲电压数目的增加，发生振荡的两个阻态逐渐稳定，即高阻态和低阻态占据时间趋于相同，认为电场对导电通道二次修饰过程起到了关键作用。通过优化forming模式和电学参数，能够有效地控制氧化镍器件中导电细丝的粗细。当器件导电通道接近原子尺度连接时，其电阻状态在电压脉冲下也会发生周期性振荡，且振荡阻态的电导总是量子电导的整数倍。由于此时器件中导电通道连接非常微弱，在电场撤销后，器件将恢复到高阻态。这一行为与感觉神经末梢对外界刺激的编码过程极为类似，器件总是回到量子电导以下的高阻态对应于神经元的静息电位。认为通过进一步优化器件性能和操作模式，可以可控地在单级阻变器件中实现电压脉冲下的电阻振荡行为，并利用这一特性模拟神经元对外界刺激的编码过程。