Electric-field switchable multilevel nonvolatile resistance states are achieved at room temperature in Bi0.93Sb0.07/0.71Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3(111) (PMN-0.29PT) heterostructures. During the initial poling of the PMN-0.29PT, the variation of the resistance of the Bi0.93Sb0.07 film with the electric field tracks the variation of the electric-field-induced in-plane strain of the PMN-0.29PT effectively, revealing that the resistance switching is dominated by the ferroelectric-domain-switching-induced lattice strain but not the domain-switching-induced polarization charges. A relative resistance change ΔR/R ∼ 7% at 300 K and up to ∼10% at 180 K were achieved near the coercive field EC of the PMN-0.29PT(111) substrate. At least five stable resistance states with good endurance properties could be obtained at room temperature by precisely controlling the electric-field pulse sequence as a result of the nonvolatile remnant strain transferring from the PMN-0.29PT to the film, providing a simple and energy efficient way to construct multistate resistive memory.

1.
T.
Wu
,
A.
Bur
,
K.
Wong
,
J. L.
Hockel
,
C.-J.
Hsu
,
H. K. D.
Kim
,
K. L.
Wang
, and
G. P.
Carman
,
J. Appl. Phys.
109
,
07D732
(
2011
).
2.
Y.
Zhang
,
G. Y.
Gao
,
H. L. W.
Chan
,
J. Y.
Dai
,
Y.
Wang
, and
J. H.
Hao
,
Adv. Mater.
24
,
1729
(
2012
).
3.
C. J.
Jiang
,
C.
Zhang
,
C. H.
Dong
,
D. W.
Guo
, and
D. S.
Xue
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
122406
(
2015
).
4.
X. Y.
Zhao
,
J. H.
Wen
,
B.
Yang
,
H. C.
Zhu
,
Q. Q.
Cao
,
D. H.
Wang
,
Z. H.
Qian
, and
Y. W.
Du
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
36038
(
2017
).
5.
M. T.
Ghoneim
and
M. M.
Hussain
,
Electronics
4
,
424
(
2015
).
6.
S.
Zhang
,
Y. G.
Zhao
,
P. S.
Li
,
J. J.
Yang
,
S.
Rizwan
,
J. X.
Zhang
,
J.
Seidel
,
T. L.
Qu
,
Y. J.
Yang
,
Z. L.
Luo
,
Q.
He
,
T.
Zou
,
Q. P.
Chen
,
J. W.
Wang
,
L. F.
Yang
,
Y.
Sun
,
Y. Z.
Wu
,
X.
Xiao
,
X. F.
Jin
,
J.
Huang
,
C.
Gao
,
X. F.
Han
, and
R.
Ramesh
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
137203
(
2012
).
7.
B. W.
Zhi
,
G. Y.
Gao
,
H. R.
Xu
,
F.
Chen
,
X. L.
Tan
,
P. F.
Chen
,
L. F.
Wang
, and
W. B.
Wu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
4603
(
2014
).
8.
G.
Niu
,
X.
Cartoixà
,
A.
Grossi
,
C.
Zambelli
,
P.
Olivo
,
E.
Perez
,
M. A.
Schubert
,
P.
Zaumseil
,
I.
Costina
,
T.
Schroeder
, and
C.
Wenger
,
J. Phys. Chem. C
121
,
7005
(
2017
).
9.
Y.
Sharma
,
P.
Misra
,
S. P.
Pavunny
, and
R. S.
Katiyar
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
073501
(
2014
).
10.
Y.
Sharma
,
S. P.
Pavunny
,
E.
Fachini
,
J. F.
Scott
, and
R. S.
Katiyar
,
J. Appl. Phys.
118
,
094506
(
2015
).
11.
M. T.
Ghoneim
,
M. A.
Zidan
,
M. Y.
Alnassar
,
A. N.
Hanna
,
J.
Kosel
,
K. N.
Salama
, and
M. M.
Hussain
,
Adv. Electron. Mater.
1
,
1500045
(
2015
).
12.
J.
Müller
,
E.
Yurchuk
,
T.
Schlösser
,
J.
Paul
,
R.
Hoffmann
,
S.
Müller
,
D.
Martin
,
S.
Slesazeck
,
P.
Polakowski
,
J.
Sundqvist
,
M.
Czernohorsky
,
K.
Seidel
,
P.
Kücher
,
R.
Boschke
,
M.
Trentzsch
,
K.
Gebauer
,
U.
Schröder
, and
T.
Mikolajick
, in
Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers
, Honolulu, HI, USA,
2012
.
13.
Z. Q.
Liu
,
J. H.
Liu
,
M. D.
Biegalski
,
J.-M.
Hu
,
S. L.
Shang
,
Y.
Ji
,
J. M.
Wang
,
S. L.
Hsu
,
A. T.
Wong
,
M. J.
Cordill
,
B.
Gludovatz
,
C.
Marker
,
H.
Yan
,
Z. X.
Feng
,
L.
You
,
M. W.
Lin
,
T. Z.
Ward
,
Z. K.
Liu
,
C. B.
Jiang
,
L. Q.
Chen
,
R. O.
Ritchie
,
H. M.
Christen
, and
R.
Ramesh
,
Nat. Commun.
9
,
41
(
2018
).
14.
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
).
15.
T. X.
Nan
,
M.
Liu
,
W.
Ren
,
Z.-G.
Ye
, and
N. X.
Sun
,
Sci. Rep.
4
,
5931
(
2014
).
16.
W. P.
Zhou
,
Y. Q.
Xiong
,
Z. M.
Zhang
,
D. H.
Wang
,
W. S.
Tan
,
Q. Q.
Cao
,
Z. H.
Qian
, and
Y. W.
Du
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
5424
(
2016
).
17.
S.-E.
Park
and
T. R.
Shrout
,
J. Appl. Phys.
82
,
1804
(
1997
).
18.
L.
Chen
,
W.-Y.
Zhao
,
J.
Wang
,
G.-Y.
Gao
,
J.-X.
Zhang
,
Y.
Wang
,
X.-M.
Li
,
S.-X.
Cao
,
X.-G.
Li
,
H.-S.
Luo
, and
R.-K.
Zheng
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
26932
(
2016
).
19.
Z. H.
Liu
,
H.
Wu
,
W.
Ren
, and
Z.-G.
Ye
,
Acta Mater.
149
,
132
(
2018
).
20.
Y.
Chen
,
K. H.
Lam
,
D.
Zhou
,
Q. W.
Yue
,
Y. X.
Yu
,
J. C.
Wu
,
W. B.
Qiu
,
L.
Sun
,
C.
Zhang
,
H. S.
Luo
,
H. L. W.
Chan
, and
J. Y.
Dai
,
Sensors
14
,
13730
(
2014
).
21.
R. K.
Zheng
,
C.
Chao
,
H. L. W.
Chan
,
C. L.
Choy
, and
H. S.
Luo
,
Phys. Rev. B
75
,
024110
(
2007
).
22.
H.
Ni
,
M.
Zheng
,
L. P.
Chen
,
W. Y.
Huang
,
Y. P.
Qi
,
J. L.
Zeng
,
Z. H.
Tang
,
H. B.
Lu
, and
J.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
213503
(
2017
).
23.
X.-W.
Zhao
,
G.-Y.
Gao
,
J.-M.
Yan
,
L.
Chen
,
M.
Xu
,
W.-Y.
Zhao
,
Z.-X.
Xu
,
L.
Guo
,
Y.-K.
Liu
,
X.-G.
Li
,
Y.
Wang
, and
R.-K.
Zheng
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
055003
(
2018
).
24.
M.
Liu
,
J.
Hoffman
,
J.
Wang
,
J. X.
Zhang
,
B. N.
Cheeseman
, and
A.
Bhattacharya
,
Sci. Rep.
3
,
1876
(
2013
).
25.
Y. J.
Yang
,
Z. L.
Luo
,
M. M.
Yang
,
H. L.
Huang
,
H. B.
Wang
,
J.
Bao
,
G. Q.
Pan
,
C.
Gao
,
Q.
Hao
,
S. T.
Wang
,
M.
Jokubaitis
,
W. Z.
Zhang
,
G.
Xiao
,
Y. P.
Yao
,
Y. K.
Liu
, and
X. G.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
033501
(
2013
).
26.
Y. J.
Yang
,
M. M.
Yang
,
Z. L.
Luo
,
H. L.
Huang
,
H. B.
Wang
,
J.
Bao
,
C. S.
Hu
,
G. Q.
Pan
,
Y. P.
Yao
,
Y. K.
Liu
,
X. G.
Li
,
S.
Zhang
,
Y. G.
Zhao
, and
C.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
043506
(
2012
).
27.
M.
Zheng
,
H.
Ni
,
Y. P.
Qi
,
W. Y.
Huang
,
J. L.
Zeng
, and
J.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
182403
(
2017
).
28.
M.
Zheng
,
X.
Ke Xu
,
H.
Ni
,
Y.-P.
Qi
,
X.-M.
Li
, and
J.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
123502
(
2018
).
29.
Y.-M.
Lin
,
O.
Rabin
,
S. B.
Cronin
,
J. Y.
Ying
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
2403
(
2002
).
30.
S.
Cho
,
A.
DiVenere
,
G. K.
Wong
, and
J. B.
Ketterson
,
Phys. Rev. B
59
,
10691
(
1999
).
31.
S.
Tang
and
M. S.
Dresselhaus
,
J. Mater. Chem. C
2
,
4710
(
2014
).
32.
M.
Martín-González
,
A. L.
Prieto
,
M. S.
Knox
,
R.
Gronsky
,
T.
Sands
, and
A. M.
Stacy
,
Chem. Mater.
15
,
1676
(
2003
).
33.
D.
Hsieh
,
D.
Qian
,
L.
Wray
,
Y.
Xia
,
Y. S.
Hor
,
R. J.
Cava
, and
M. Z.
Hasan1
,
Nature
452
,
970
(
2008
).
34.
S.
Tang
and
M. S.
Dresselhaus
,
Nano Lett.
12
,
2021
(
2012
).
35.
Y.-H.
Su
,
W. J.
Shi
,
C.
Felser
, and
Y.
Sun
,
Phys. Rev. B
97
,
155431
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.