复杂金属氧化物具有丰富的物理现象,其内在各种关联使得它们具有多样性和可控性。这类材料的性质和功能可以通过结构修饰、空间限制以及压力、电场、磁场、光和温度等外界激励进行调控。本论文探索了空间受限复杂金属氧化物的涌现现象(emergent phenomenon)并深入探讨了物理机制。本论文主要由两部分组成,第一部分是在中国科学院物理研究所完成的有关低维复杂金属氧化物纳米材料体系里的非挥发存储的研究,第二部分是在美国Louisiana State University进行的人工相分离薄膜里的金属绝缘体转变的研究以及重要衬底材料SrTiO3(001)表面结构的表征。　　 第一章介绍复杂金属氧化物和空间受限效应的研究背景知识以及其在纳米电子学上的应用。　　 第二章介绍了各种实验方法,包括材料和器件的制备方法,材料的表征手段,以及电学测试原理等。　　 第三章详细描述了复杂金属氧化物薄膜器件里电致电阻转变现象的研究。我们首先对Pr0.7Ca0.3MnO3薄膜器件的宏观电学和微观结构进行系统地表征。我们发现电极的性质显著地影响器件电阻转变的行为,并找到区分活性电极以及非活性电极的方法。当电极的氧化吉布斯自由能小于Pr0.7Ca0.3MnO3时,它相对于Pr0.7Ca0.3MnO3是活性的,反之是非活性的。活性电极可以与Pr0.7Ca0.3MnO3发生氧化还原反应,相应的活性电极和Pr0.7Ca0.3MnO3界面的电致氧化还原主导了电阻转变。对于非活性电极制成的器件,电场下氧空位的迁移导致的氧空位重新排布会改变器件的电阻。对Al/Pr0.7Ca0.3MnO3/Pt器件进行详细研究后,我们提出界面电致氧化还原的自限制机制,并指出它是活性顶电极器件具有良好寿命的原因。进一步我们用原位透射电子显微镜实时观察了电场作用下Pr0.7Ca0.3MnO3结构的动态变化,发现了氧迁移的直接证据。我们还找到氧空位扩散的证据,它解释了在Ag-Paint/Pr0.7Ca0.3MnO3/Pt器件里观测到的电阻驰豫现象。然后我们对单晶CeO2薄膜的电阻转变行为进行仔细地研究。我们通过对比不同电极器件的电阻转变特征和性能,提出通过调控电极改善器件功能的方法。我们还用原位透射电子显微镜对其电阻转变机制进行了研究。我们直接观察到电致氧空位以及其迁移导致的导电通道的形成过程,并据此提出单晶CeO2薄膜器件的电阻转变机理。最后对氧化物异质结的电阻转变现象进行理论分析,并研究了CeO2/Pr0.7Ca0.3MnO3氧化物异质结的电阻转变,指出基于氧化物异质结的电阻转变器件的优势。　　 第四章研究了氧化锌纳米线/管里的持续光电导效应并通过光电导谱的测试发现一个深能级的激发是持续光电导的起源。我们还找到用红外光淬灭光电导的方法,原理上实现了完全基于光电效应的非挥发存储器件擦写过程,这对于基于光电效应的非挥发存储具有重要的意义。　　 第五章研究了用激光分子束外延多靶材方式生长的La2/3Sr1/3MnO3-V2O3纳米复合物体系的输运性质。这个体系存在La2/3Sr1/3MnO3和V2O3之间Mn和V的交换,由此形成具有金属性的La1-SrxVO3,并导致由化学相分离诱导的金属绝缘体相分离。通过调整化学相的比例,我们获得可控的金属绝缘体转变温度。La2/3Sr1/3MnO3-V2O3纳米复合物性质由逾渗决定。当La2/3Srl/3Mn03相占主导并形成逾渗时,La2/3Sr1/3MnO3-V2O3纳米复合物表现为La2/3Sr1/3MnO3的性质,具有巨磁阻效应;而当La2/3Sr1/3MnO3-V2O3里La1-xSrxVO3主导时,薄膜具有金属绝缘体转变;如果V2O3占主导,则V2O3性质浮现出来。这是一个功能可调体系。　　 在六章中我们介绍了非常重要的用于薄膜外延生长的衬底材料SrTiO3(001)的表面结构的表征。我们用低能电子衍射(LEED)和扫描隧道电子显微镜(STM)等手段对其表面的结构进行分析,并求解出1x1表面重构。我们发现这种表面有大量的氧空位,而且表面变成极化面。极化可能来源于大量氧空位的出现。　　 第七章对全文做一下简单总结,并探讨了基于复杂金属氧化物的新型电子器件,最后对未来的工作进行展望。