We report a direct observation of the microscopic origin of the bipolar resistive switching behavior in nanoscale titanium oxide films. Through a high-resolution transmission electron microscopy, an analytical transmission electron microscopy technique using energy-filtering transmission electron microscopy, and an in situ x-ray photoelectron spectroscopy, we demonstrated that the oxygen ions piled up at the top interface by an oxidation-reduction between the titanium oxide layer and the top Al metal electrode. We also found that the drift of oxygen ions during the on/off switching induced the bipolar resistive switching in the titanium oxide thin films.

1.
J. F.
Gibbons
and
W. E.
Beadle
Solid-State Electron.
7
,
785
(
1964
).
2.
W. R.
Hiatt
and
T. W.
Hickmott
,
Appl. Phys. Lett.
6
,
106
(
1965
).
3.
F.
Argall
,
Electron. Lett.
2
,
282
(
1966
).
4.
R. W.
Brander
,
D. R.
Lamb
, and
P. C.
Rundle
,
Br. J. Appl. Phys.
18
,
23
(
1967
).
5.
F.
Argall
,
Solid-State Electron.
11
,
535
(
1968
).
6.
I. G.
Baek
,
M. S.
Lee
,
S.
Seo
,
M. J.
Lee
,
D. H.
Seo
,
D. -S.
Suh
,
J. C.
Park
,
S. O.
Park
,
H. S.
Kim
,
I. K.
Yoo
,
U. -I.
Chung
, and
J. T.
Moon
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2004
,
587
.
7.
I. G.
Baek
,
D. C.
Kim
,
M. J.
Lee
,
H. -J.
Kim
,
E. K.
Yim
,
M. S.
Lee
,
J. E.
Lee
,
S. E.
Ahn
,
S.
Seo
,
J. H.
Lee
,
J. C.
Park
,
Y. K.
Cha
,
S. O.
Park
,
H. S.
Kim
,
I. K.
Yoo
,
U. -I.
Chung
,
J. T.
Moon
, and
B. I.
Ryu
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2005
,
750
.
8.
M. -J.
Lee
,
S.
Seo
,
D. -C.
Kim
,
S. -E.
Ahn
,
D. H.
Seo
,
I. -K.
Yoo
,
I. G.
Baek
,
D. -S.
Kim
,
I. -S.
Byun
,
S. -H.
Kim
,
I. -R.
Hwang
,
J. -S.
Kim
,
S. -H.
Jeon
, and
B. H.
Park
,
Adv. Mater.
19
,
73
(
2007
).
9.
M. -J.
Lee
,
Y.
Park
,
D. -S.
Suh
,
E. -H.
Lee
,
S.
Seo
,
D. -C.
Kim
,
R.
Jung
,
B. -S.
Kang
,
S. -E.
Ahn
,
C. B.
Lee
,
D. H.
Seo
,
Y. -K.
Cha
,
I. -K.
Yoo
,
J. -S.
Kim
, and
B. H.
Park
,
Adv. Mater.
19
,
3919
(
2007
).
10.
J. J.
Yang
,
M. D.
Pickett
,
X.
Li
,
D. A. A.
Ohlberg
,
D. R.
Stewart
, and
R. S.
Williams
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
429
(
2008
).
11.
D. B.
Strukov
,
G. S.
Snider
,
D. R.
Stewart
, and
R. S.
Williams
,
Nature (London)
453
,
80
(
2008
).
12.
J. J.
Yang
,
F.
Miao
,
M. D.
Pickett
,
D. A. A.
Ohlberg
,
D. R.
Stewart
,
C. N.
Lau
, and
R. S.
Williams
,
Nanotechnology
20
,
215201
(
2009
).
13.
L. -E.
Yu
,
S.
Kim
,
M. -K.
Ryu
,
S. -Y.
Choi
, and
Y. -K.
Choi
,
IEEE Electron Device Lett.
29
,
331
(
2008
).
14.
15.
L. S.
Dake
and
R. J.
Lad
,
Surf. Sci.
289
,
297
(
1993
).
16.
L.
Reimer
,
Energy-Filtering Transmission Electron Microscopy
(
Springer
,
Berlin
,
1995
), p.
387
.
17.
W.
Shen
,
R.
Dittmann
,
U.
Breuer
, and
R.
Waser
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
222102
(
2008
).
You do not currently have access to this content.