人脑是一种高度并行、节能的事件驱动型信息处理系统,其效率是传统信息存储和处理设备所无法比拟的。受其启发,作为一种可实现新型数据存储和神经形态计算的元器件—忆阻器得到了广泛关注。近年来,有机材料因其成膜简单、成本低、柔性可拉伸、生物兼容,以及电子性能可以通过分子设计来进行调控等优势,被广泛应用于忆阻器领域的研究。然而,由于较慢的离子传输动力学,较低的载流子迁移率和较大的电荷注入势垒,有机忆阻器往往需要较高的操作电压且会表现出波动的器件参数。这些局限性势必会降低有机忆阻器的精度、稳定性和可扩展性等,从而对有机忆阻器的实际应用构成了严峻挑战。因此,设计和制备高性能有机忆阻器应用于神经功能模拟,并对其机制进行深入研究具有重要意义。本论文在综述了离子型忆阻器最新研究进展的基础上,设计制备了一系列基于金属卟啉(MTPP)的有机二极管忆阻器,并深入研究了器件的性能、机制和在神经功能模拟方面的应用,为有机忆阻器的理论发展和实际应用提供了技术储备。(1)综述了离子型忆阻器的研究进展。首先讨论了离子型忆阻器的机理,并以此为基础提出了通过肖特基结调控、载流子筛选和活性层预处理等方式实现阻态渐变可调的离子型忆阻器的策略。此外,离子型忆阻器在活性层材料和掺杂剂方面的最新研究进展包括材料之间的相互关系,对忆阻机理和器件性能的影响等也被详细讨论,重点介绍了如何通过将氧化物材料纳米化,聚合物组分优化、分子设计和离子掺杂等策略来实现高性能离子型忆阻器。(2)受人体血红蛋白中所含铁卟啉运输氧气机理的启发,提出了一种基于配位键辅助的离子/电子传输型忆阻器,器件结构为ITO/四苯基卟啉锌(ZnTPP)/Al2O3-x/Al。借助扫描透射电子显微镜-能量弥散X射线探测(STEM-EDX)研究了主导忆阻性能的氧离子的注入和传输机制;通过对施加不同电压ZnTPP薄膜表面的X射线光电子能谱(XPS)分析,确认了氧离子的种类为O2-、O1-以及与Zn2+的配位作用。在此基础上,首次提出了电场作用下ZnTPP可通过中心金属离子与氧离子形成的配位键的断裂和形成精致地调控载流子的传输,避免了传统忆阻器中载流子沿晶界不可控、随机的传输特点,从而实现了稳定、平滑、渐变的阻变行为。此外,本文发现ZnTPP忆阻器具有独特的尖峰电压依赖可塑性(SVDP),并从极化角度对小电压下导电性衰减的机理做了解释。(3)以同样的结构和薄膜厚度设计制备了基于不同MTPP(ZnTPP、四苯基卟啉镍(NiTPP)、四苯基卟啉钴(CoTPP)、四苯基卟啉氯化铁(FeTPPCl)和四苯基卟啉(TPP))材料的二极管忆阻器:ITO/MTPP/Al2O3-x/Al。通过电学表征和理论计算等方法详细研究了不同MTPP材料与氧离子形成的配位键的键能对忆阻器性能,如导电性、抗饱和性的影响。研究表明MTPP忆阻器的导电性/抗饱和性与EMetal-O的大小成反比/正比关系。此外,由于Cl原子的存在FeTPPCl的导电性最低,而TPP分子由于没有中心金属离子而无法与氧离子形成配位键,所以TPP忆阻器导电性最好但抗饱和特性最差。因此,MTPP忆阻器的性能对材料具有高度的敏感性(并不仅限于本文讨论的5种MTPP材料),这可以被认为是一种金属依赖可塑性。在神经形态电路的设计过程中,可根据需求选择具有不同忆阻性能的MTPP忆阻器模块,进而为未来制备实用性神经形态电路奠定了坚实的基础。(4)ZnTPP忆阻器具有良好的器件性能(如性能稳定、环境适应性好、功耗低、抗饱和性好等),适用于模拟神经突触功能。本文通过施加编程的脉冲序列基于单个ZnTPP忆阻器模拟了多重突触功能,如短时程可塑性/长时程可塑性(STP/LTP)、“经验-学习”行为等。并基于阵列化的ZnTPP忆阻器实现了对尖峰频率依赖可塑性(SRDP)、“经验-学习”行为、习惯化/敏感化等行为的可视化模拟。此外,得益于ZnTPP忆阻器独特的SVDP属性,本文首次实现了仅依赖忆阻器阵列的噪声过滤功能。该部分工作拓展了神经形态电路的应用功能,为制备兼顾噪音过滤功能的实用性神经形态电路奠定了坚实的基础。