因结构简单、并行处理、突破冯洛伊曼瓶颈等优势,忆阻器在搭建类脑神经形态计算系统上有较大潜力。单晶材料缺陷少、性能一致性好,为离子迁移提供了理想平台。基于氧空位迁移机制的忆阻器能展现较好的多阻态特性,可模拟STDP规则,更适用于搭建大规模类脑系统。然而,单晶薄膜忆阻器的研究相对较少,缺乏材料与STDP特性联系的讨论。因此,探究单晶材料与器件STDP特性之间的关系,对制备类脑芯片并进一步搭建新一代计算机系统有重要意义。本文基于铌酸锂单晶薄膜,使用氩离子刻蚀、氧气退火等方式制备了具有较好STDP特性的铌酸锂单晶薄膜忆阻器,并研究了材料表面氧空位与STDP特性之间的关系,为类脑系统搭建提供了较好的类突触器件。本文具体工作与结论如下:1.控制氩离子对铌酸锂单晶薄膜的刻蚀时间,分别制备铌酸锂厚度为350 nm、300 nm、250 nm和200 nm的单晶薄膜忆阻器。通过隧道扫描显微镜的测试得知铌酸锂厚度得到了较好的控制;原子力显微镜的测试结果表明刻蚀表面光滑均匀;由电子顺磁共振仪的测量结果可知刻蚀伴随有氧空位的引入。经电学性能测试,器件电形成电压从24 V降为9 V表明电形成电压降低显著;较长时间刻蚀引入的过多氧空位导致数据保持特性、抗疲劳特性以及开关比均变差,使器件不适用于类脑神经形态计算系统的搭建。2.采用氧气退火的方式减少刻蚀引入的过多氧空位。经测试,氧气退火对材料厚度无影响,刻蚀表面粗糙度略有提升,表面氧空位明显减少。电学性能测试结果表明器件开关比显著提升,数据保持特性与抗疲劳特性均得到明显优化,器件多阻态更加突出。基于优化后的器件对PPF、PTP、遗忘曲线等大脑特性进行模拟,结果证明该器件有用于类脑神经形态计算系统硬件的潜力。3.基于优化的器件,通过改变电脉冲刺激参数研究了器件STDP特性。STDP特性本质是器件多阻态特性在类脑系统上的体现,即:合适的氧空位浓度让器件多阻态更明显,并展现出较好的STDP特性且学习窗口可调。因此,在基于氧空位迁移机制的忆阻器上,合适的氧空位浓度是制备类脑芯片的关键。