TiO2−δ thin films were epitaxially grown on (001)-oriented 0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3 (PMN-PT) ferroelectric single-crystal substrates. By applying electric fields E across the PMN-PT, the TiO2−δ film resistance could be reversibly switched into different stable states at room temperature. The on-off ratio, tuned by the strength of the electric field E, remained at ∼1 under the E ≤ 0.6 kV/cm and reached ∼3413 with the E increasing to 6 kV/cm, leading to a promising approach for designing nonvolatile multiple-state memory devices. By taking into account the migration of the oxygen vacancies and the ferroelectric field effect induced charge manipulations, the mechanism of the multiple-state resistive switching behaviors was discussed.

1.
C. H.
Ahn
,
J. M.
Triscone
, and
J.
Mannhart
, “
Electric field effect in correlated oxide systems
,”
Nature
424
,
1015
(
2003
).
2.
J.
Hoffman
,
X.
Pan
,
J. W.
Reiner
,
F. J.
Walker
,
J. P.
Han
,
C. H.
Ahn
, and
T. P.
Ma
,
Adv. Mater.
22
,
2957
(
2010
).
3.
S. M.
Wu
,
S. A.
Cybart
,
P.
Yu
,
M. D.
Rossell
,
J. X.
Zhang
,
R.
Ramesh
, and
R. C.
Dynes
,
Nat. Mater.
9
,
756
(
2010
).
4.
H. J.
Molegraaf
,
J.
Hoffman
,
C. A.
Vaz
,
S.
Gariglio
,
D.
Van Der Marel
,
C. H.
Ahn
, and
J. M.
Triscone
,
Adv. Mater.
21
,
3470
(
2009
).
5.
W.
Eerenstein
,
N. D.
Mathur
, and
J. F.
Scott
,
Nature
442
,
759
(
2006
).
6.
D.
Yi
,
J.
Liu
,
S.
Okamoto
,
S.
Jagannatha
,
Y. C.
Chen
,
P.
Yu
,
Y. H.
Chu
,
E.
Arenholz
, and
R.
Ramesh
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
127601
(
2013
).
7.
C. A.
Vaz
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
333201
(
2012
).
8.
V.
Garcia
,
M.
Bibes
,
L.
Bocher
,
S.
Valencia
,
F.
Kronast
,
A.
Crassous
,
X.
Moya
,
S.
Enouz-Vedrenne
,
A.
Gloter
,
D.
Imhoff
,
C.
Deranlot
,
N. D.
Mathur
,
S.
Fusil
,
K.
Bouzehouane
, and
A.
Barthélémy
,
Science
327
,
1106
(
2010
).
9.
M.
Gajek
,
M.
Bibes
,
S.
Fusil
,
K.
Bouzehouane
,
J.
Fontcuberta
,
A. E.
Barthelemy
, and
A.
Fert
,
Nat. Mater.
6
,
296
(
2007
).
10.
D.
Pantel
,
S.
Goetze
,
D.
Hesse
, and
M.
Alexe
,
Nat. Mater.
11
,
289
293
(
2012
).
11.
C.
Thiele
,
K.
Dörr
,
O.
Bilani
,
J.
Rödel
, and
L.
Schultz
,
Phys. Rev. B
75
,
054408
(
2007
).
12.
Y. Y.
Zhao
,
J.
Wang
,
H.
Kuang
,
F. X.
Hu
,
H. R.
Zhang
,
Y.
Liu
,
Y.
Zhang
,
S. H.
Wang
,
R. R.
Wu
,
M.
Zhang
,
L. F.
Bao
,
J. R.
Sun
, and
B. G.
Shen
,
Sci. Rep.
4
,
7075
(
2014
).
13.
Q. X.
Zhu
,
M.
Zheng
,
M. M.
Yang
,
X. M.
Li
,
Y.
Wang
,
X.
Shi
,
H. L. W.
Chan
,
H. S.
Luo
,
X. G.
Li
, and
R. K.
Zheng
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
132910
(
2013
).
14.
Z. G.
Sheng
,
J.
Gao
, and
Y. P.
Sun
,
Phys. Rev. B
79
,
174437
(
2009
).
15.
E. J.
Guo
,
J.
Gao
, and
H. B.
Lu
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
081903
(
2011
).
16.
M.
Liu
,
J.
Hoffman
,
J.
Wang
,
J.
Zhang
,
B.
Nelson-Cheeseman
, and
A.
Bhattacharya
,
Sci. Rep.
3
,
1876
(
2013
).
17.
Y.
Yang
,
Z. L.
Luo
,
M. M.
Yang
,
H.
Huang
,
H.
Wang
,
J.
Bao
,
G.
Pan
,
C.
Gao
,
Q.
Hao
,
S.
Wang
,
M.
Jokubaitis
,
W.
Zhang
,
G.
Xiao
,
Y.
Yao
,
Y.
Liu
, and
X. G.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
033501
(
2013
).
18.
B.
Zhi
,
G.
Gao
,
H.
Xu
,
F.
Chen
,
X.
Tan
,
P.
Chen
,
L.
Wang
, and
W.
Wu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
4603
(
2014
).
19.
S.
Dong
,
X.
Zhang
,
R.
Yu
,
J. M.
Liu
, and
E.
Dagotto
,
Phys. Rev. B
84
,
155117
(
2011
).
20.
J.
Hoffman
,
X.
Hong
, and
C. H.
Ahn
,
Nanotechnology
22
,
254014
(
2011
).
21.
S.
Mathews
,
R.
Ramesh
,
T.
Venkatesan
, and
J.
Benedetto
,
Science
276
,
238
(
1997
).
22.
Q. X.
Zhu
,
M. M.
Yang
,
M.
Zheng
,
R. K.
Zheng
,
L. J.
Guo
,
Y.
Wang
,
J. X.
Zhang
,
X. M.
Li
,
H. S.
Luo
, and
X. G.
Li
,
Adv. Funct. Mater.
25
,
1111
(
2015
).
23.
S.
Yamamoto
,
T.
Sumita
,
A.
Miyashita
, and
H.
Naramoto
,
Thin Solid Films
401
,
88
(
2001
).
24.
H. S. P.
Wong
,
H. Y.
Lee
,
S.
Yu
,
Y. S.
Chen
,
Y.
Wu
,
P. S.
Chen
,
B.
Lee
,
F. T.
Chen
, and
M. J.
Tsai
,
Proc. IEEE
100
,
1951
(
2012
).
25.
E. H.
Rhoderick
and
R. H.
Williams
,
Metal–Semiconductor Contacts
, 2nd ed. (
Oxford Science Publications
,
Oxford
,
1988
).
26.
J. J.
Yang
,
M. D.
Pickett
,
X.
Li
,
D. A.
Ohlberg
,
D. R.
Stewart
, and
R. S.
Williams
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
429
(
2008
).
You do not currently have access to this content.