介电材料的电阻可在电场（或电流）作用下产生高低电阻态相切换，去掉电场后还能保持所产生的高低电阻态并可往复循环切换，即阻变效应。通常阻变结构为金属/介电层/金属的电容结构，这种简单结构可用于建构新型非易失的电阻式存储器件。1971年，美国加州大学伯克利分校蔡少棠^[注]曾预测继电容、电感、电阻之后的第四种基本电路元件，即忆阻器，后来被惠普公司的D.斯鲁科夫^[注]等采用阻变材料建构出来，有望用于模拟神经元记忆，及神经元网络计算。忆阻效应是指以阻变材料为基础还可建构易阻器件，即具有记忆功能的非线性电阻器，其电阻大小依赖于所通过的电流量，具类似神经元记忆特征。

可分为单极性和双极性两类，见图1。双极性阻变行为指的是高低电阻切换可分别通过施加两个相反方向的电激励实现，而单极性阻变行为则是高低阻切换都是由施加同一个方向的电激励实现。除了以上两种外，还有材料的阻变特征可在以上两种类型之间转变，称为非极性。

图1 阻变单元结构及两种类型的阻变特征类型

阻变特性一开始在简单金属氧化物介质如TiO₂中发现，后来发现大量具有阻变特征的体系，主要有以下4个体系：①二元过渡性金属氧化物NiO、CuO、CoO、Fe₂O₃、HfO、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅等。②三元(或多元)过渡性金属钙钛矿氧化物，包括三元过渡性金属氧化物SrTiO₃、SrZrO₃等，铁电材料BiFeO₃、BaTiO₃、Pb(Zr,Ti)O₃等，庞磁电阻材料(La,Sr)MnO₃、(Pr,Ca)MnO₃、(La,Ca)MnO₃、(Pr,La)CaMnO₃等和高温超导材料YBaCuO₃等。③相变型硫族化合物Ge₂Sb₂Te₅、AgInSbTe等。④固态电解质GeSe、GeS、CuS、SiO_x等。⑤有机材料CuTCNQ、Al、AIDCN等。

不同材料体系的阻变机制存在较大不同，还缺乏很好的模型描述不同类阻变特征。其中较为代表性的机制为以下四种：①导电细丝（通道）型。这一类阻变较具代表性，通常工作前需要初始化过程，即先施加足够加大的电脉冲产生导电细丝（通道），而后续施加电压使得导电细丝断开或连接，从而导致高低电阻切换。②电子注入捕获型。通过界面（或内部势阱、窄能带）捕获或释放电子，导致高低电阻态的切换。③热相变型。即通过焦耳热导致晶态-非晶态可逆相变产生高低电阻切换。④电极化调控铁电界面势垒型。即通过极化反转改变界面势垒，导致产生高低组态，包括超薄膜的铁电隧道结类型，以及较厚薄膜的极化调控反转二极管类型。

阻变材料及忆阻材料可应用于新型电阻式存储器或神经元存储与神经元网络计算。利用阻变效应可建构非失型电阻式随机存储器，具有比闪存更高速度、更长寿命、更低能耗、更高密度等优点，有望从下一代众多新存储候选材料中脱颖而出。主要技术障碍在于稳定性、耐受性，存储单元之间串扰，规模化等问题。如果这些关键技术问题得以有效解决，电阻式存储有望实现大规模产业化。

图2 中国科学院微电子研究所与中芯国际联合开发的电阻式存储