We report two-dimensional VOx nanosheets containing multi-oxidation states (V5+, V4+, and V3+), prepared by a hydrothermal process for potential applications in resistive switching devices. The experimental results demonstrate a highly reproducible, electroforming-free, low SET bias bipolar resistive switching memory performance with endurance for more than 100 cycles maintaining OFF/ON ratio of ∼60 times. These devices show better memory performance as compared to previously reported VOx thin film based devices. The memory mechanism in VOx is proposed to be originated from the migration of oxygen vacancies/ions, an influence of the bottom electrode and existence of multi-oxidation states.
References
1.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, Y.
Zhang
, S. V.
Dubonos
, I. V.
Grigorieva
, and A. A.
Firsov
, Science
306
, 666
(2004
).2.
M.
Chhowalla
, H. S.
Shin
, G.
Eda
, L. J.
Li
, K.
Loh
, and H.
Zhang
, Nat. Chem.
5
, 263
(2013
).3.
V.
Nicolosi
, M.
Chhowalla
, M. G.
Kanatzidis
, M. S.
Strano
, and J. N.
Coleman
, Science
340
, 1226419
(2013
).4.
C.
Tan
, Z.
Liu
, W.
Huang
, and H.
Zhang
, Chem. Soc. Rev.
44
, 2615
(2015
).5.
K.
Takahashi
, S. J.
Limmer
, Y.
Wang
, and G.
Cao
, J. Phys. Chem. B
108
, 9795
(2004
).6.
D. H.
Nagaraju
, Q.
Wang
, P.
Beaujuge
, and H. N.
Alshareef
, J. Mater. Chem. A
2
, 17146
(2014
).7.
C.
Karunakaran
and S.
Senthilvelan
, J. Colloid Interface Sci.
289
, 466
(2005
).8.
C.
Imawan
, H.
Steffes
, F.
Solzbacher
, and F.
Obermeier
, Sens. Actuators, B
77
, 346
(2001
).9.
J.
Liu
, X.
Wang
, Q.
Peng
, and Y.
Li
, Adv. Mater.
17
, 764
(2005
).10.
L.
Krusin-Elbaum
, D. M.
Newns
, H.
Zeng
, V.
Derycke
, J. Z.
Sun
, and R.
Sandstrom
, Nature
431
, 672
(2004
).11.
T.
Singh
, S.
Wang
, N.
Aslam
, H.
Zhang
, S. H.
Eifert
, and S.
Mathur
, Chem. Vap. Deposition
20
, 291
(2014
).12.
J.
Kim
, C.
Ko
, A.
Frenze
, S.
Ramanathan
, and J. E.
Hoffman
, Appl. Phys. Lett.
96
, 213106
(2010
).13.
W. X.
Ying
, H.
Ming
, Z. K.
Liang
, W.
Fang
, Z. J.
Shi
, and M. Y.
Ping
, Chin. Phys. B
22
, 037201
(2013
).14.
R.
Macaluso
, M.
Mosca
, V.
Costanza
, A.
D'Angelo
, G.
Lullo
, F.
Caruso
, C.
Calì
, F.
Di Franco
, M.
Santamaria
, and F.
Di Quarto
, IEEE Electron. Lett.
50
, 262
(2014
).15.
T. J.
Hanlon
, R. E.
Walker
, J. A.
Coath
, and M. A.
Richardson
, Thin Solid Films
405
, 234
(2002
).16.
G.
Garry
, O.
Durand
, and A.
Lordereau
, Thin Solid Films
453–454
, 427
(2004
).17.
P. V. D.
Voort
, M. G.
White
, and E. F.
Vansant
, Langmuir
14
, 106
(1998
).18.
Y. L.
Cheah
, N.
Gupta
, S. S.
Pramana
, V.
Aravindan
, G.
Wee
, and M.
Srinivasan
, J. Power Sources
196
, 6465
(2011
).19.
Y. F.
Sun
, S. S.
Jiang
, W. T.
Bi
, C. Z.
Wu
, and Y.
Xie
, J. Power Sources
196
, 8644
(2011
).20.
C. V. S.
Reddy
, S. I.
Mho
, R. R.
Kalluru
, and Q. L.
Williams
, J. Power Sources
179
, 854
(2008
).21.
C. J.
Cui
, G. M.
Wu
, J.
Shen
, B.
Zhou
, Z. H.
Zhang
, H. Y.
Yang
, and S. F.
She
, Electrochim. Acta
55
, 2536
(2010
).22.
G.
Armstrong
, J.
Canales
, A. R.
Armstrong
, and P. G.
Bruce
, J. Power Sources
178
, 723
(2008
).23.
R.
Cai
, J.
Chen
, D.
Yang
, Z.
Zhang
, S.
Peng
, J.
Wu
, W.
Zhang
, C.
Zhu
, T. M.
Lim
, H.
Zhang
, and Q.
Yan
, ACS Appl. Mater. Interfaces
5
, 10389
(2013
).24.
P.
Schilbe
, Phys. B
316
, 600
(2002
).25.
R. B.
Hadjean
, M. B.
Smirnov
, K. S.
Smirnov
, V.
Yu Kazimirov
, J. M.
Gallardo-Amores
, U.
Amador
, M. E.
Arroyo-de Dompablo
, and J. P.
Pereira-Ramos
, Inorg. Chem.
51
, 3194
(2012
).26.
A.
Golubovic
, R.
Gajic
, and M.
Šcepanovic
, Sci. Sintering
41
, 43
(2009
).27.
Q.
Su
, X. Q.
Liu
, H. L.
Ma
, Y. P.
Guo
, and Y. Y.
Wang
, J. Solid State Electrochem.
12
, 919
(2008
).28.
J.
Mendialdua
, R.
Casanova
, and Y.
Barbaux
, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom.
71
, 249
(1995
).29.
G. A.
Sawatzky
and D.
Post
, Phys. Rev. B
20
, 1546
(1979
).30.
G.
Silversmit
, D.
Depla
, H.
Poelman
, G. B.
Marin
, and R. D.
Gryse
, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom.
135
, 167
(2004
).31.
A.
Prakash
, D.
Jana
, S.
Samanta
, and S.
Maikap
, Nanoscale Res. Lett.
8
, 527
(2013
).32.
M. K.
Hota
, M. N.
Hedhili
, Q.
Wang
, V. A.
Melnikov
, O. F.
Mohammad
, and H. N.
Alshareef
, Adv. Electron. Mater.
1
, 1400035 (1–8)
(2015
).33.
R.
Waser
, R.
Dittmann
, G.
Staikov
, and K.
Szot
, Adv. Mater.
21
, 2632
(2009
).34.
F. W.
Yang
, K. H.
Chen
, C. M.
Cheng
, and F. Y.
Su
, Ceram. Int.
39
, S729
(2013
).35.
H. C.
Tseng
, T. C.
Chang
, J. J.
Huang
, P. C.
Yang
, Y. T.
Chen
, F. Y.
Jian
, S. M.
Sze
, and M. J.
Tsai
, Appl. Phys. Lett.
99
, 132104
(2011
).36.
S.
Mondal
, J. L.
Her
, K.
Koyama
, and T. M.
Pan
, Nanoscale Res. Lett.
9
, 3
(2014
).37.
Q. Y.
Zuo
, S. B.
Long
, Q.
Liu
, S.
Zhang
, Q.
Wang
, Y. T.
Li
, Y.
Wang
, and M.
Liu
, J. Appl. Phys.
106
, 073724
(2009
).38.
M. K.
Hota
, C.
Mukherjee
, T.
Das
, and C. K.
Maiti
, ECS J. Solid State Sci. Technol.
1
, N149
(2012
).39.
P.
Mark
and W.
Helfrich
, J. Appl. Phys.
33
, 205
(1962
).40.
S.
Jung
, J.
Kong
, S.
Song
, K.
Lee
, T.
Lee
, H.
Hwang
, and S.
Jeond
, J. Electrochem. Soc.
157
, H1042
(2010
).41.
S. G.
Park
, M. K.
Yang
, H.
Ju
, D. J.
Seong
, J. M.
Lee
, E.
Kim
, S.
Jung
, L.
Zhang
, Y. C.
Shin
, I. G.
Baek
, J.
Choi
, H. K.
Kang
, and C.
Chung
, Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2012
, 20.8.1
.42.
L.
Chen
, Q. Q.
Sun
, J. J.
Gu
, Y.
Xu
, S. J.
Ding
, and D. W.
Zhang
, Curr. Appl. Phys.
11
, 849
(2011
).43.
M. K.
Hota
, M. K.
Bera
, S.
Verma
, and C. K.
Maiti
, Thin Solid Films
520
, 6648
(2012
).44.
G.
Pacchioni
, Chem. Phys. Chem.
4
, 1041
(2003
).45.
M.
Yang
, Z. P.
Jian
, L. Z.
Yu
, L. Z.
Liang
, P. X.
Yu
, L. X.
Jin
, Z. H.
Wu
, and C. D.
Min
, Chin. Phys. B
19
, 037304
(2010
).46.
C.
Ye
, C.
Zhan
, T. M.
Tsai
, K. C.
Chang
, M. C.
Chen
, T. C.
Chang
, T.
Deng
, and H.
Wang
, Appl. Phys. Express
7
, 034101
(2014
).47.
W.
Bai
, R.
Huang
, Y.
Cai
, Y.
Tang
, X.
Zhang
, and Y.
Wang
, IEEE Electron Device Lett.
34
, 223
(2013
).48.
Z.
Fang
, H. Y.
Yu
, W. J.
Liu
, Z. R.
Wang
, X. A.
Tran
, B.
Gao
, and J. F.
Kang
, IEEE Electron Device Lett.
31
, 476
(2010
).49.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4933335 for VOx synthesis process, performance comparison of different reported VOx memory devices, additional material, and electrical characteristics.
© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
