电阻式随机存取存储器（RRAM）[1]由于其简单的金属-绝缘体-金属（MIM）结构、低功耗、可扩展性和超快开关性能，已成为下一代非易失性存储器和类脑计算的主要竞争者[[2], [3], [4]]。在基于氧化物的RRAM中，电阻式开关通常由开关层内导电纤维（CFs）的形成和断裂控制，从而实现高电阻状态和低电阻状态之间的可逆转换。尽管具有这些优势，传统的RRAM器件往往存在耐久性有限、器件间差异显著以及开关不稳定性等问题，这主要是由于氧空位迁移不受控制和纤维结构过度演变[5,6]。
为了解决这些问题，人们广泛探索了界面工程。在电极和氧化物基质之间引入功能性中间层可以调节缺陷迁移、稳定CF动态并抑制漏电流[7]。特别是，低k值氧化物（例如SiOC）被报道可以通过减轻不受控制的缺陷积累来降低开关电压并提高耐久性[8,9]。然而，它们相对较低的导电性和对纤维成核的不完全控制仍然在同时实现高稳定性和高重复性方面存在挑战。
在这种情况下，我们提出了Al工程锐钛矿/金红石TiO₂（Al–A/R-TiO₂）中间层，它结合了双相TiO₂系统的结构和电子优势。重要的是，本研究中的“Al–A/R-TiO₂中间层”并不指均匀掺杂Al的TiO₂开关层，也不是有意沉积的含Al氧化物薄膜。相反，它指的是通过氧亲和力驱动的界面氧化还原反应和在Al/A–R-TiO₂界面处的局部键交换自形成的超薄Al–Ti–O键合过渡区域。因此，缺陷化学——即氧空位富集和部分还原的Ti亚氧化物态——被限制在靠近电极的界面区域，在那里它主要调节带弯曲/载流子注入障碍和陷阱动力学，从而控制高电阻状态（HRS）到低电阻状态（LRS）的激活和开关均匀性。这种界面定位的、反应形成的缺陷工程机制与早期掺Al的TiO₂器件（具有体相分布的Al）以及主要依赖插入的被动屏障层的Al界面设计有根本不同[10,11]。
除了界面调节外，锐钛矿和金红石相的共存还可以相对于单相TiO₂增强电子传输。虽然单相TiO₂通常具有较宽的带隙（约3.2电子伏特）和有限的导电性，但混合锐钛矿/金红石结构已被报道显示出降低的有效带隙（约2.73电子伏特），这有助于促进载流子的生成和传输[12,13]。当与Al促进的界面反应结合时，局部的结构畸变和界面态可以进一步调节氧空位分布并抑制纤维的过度生长。因此，由混合相和Al实现的界面定位缺陷工程共同作用，使得Al–A/R-TiO₂方法在稳定和节能的电阻式开关方面具有吸引力。最近的研究还表明，界面调节可以支持两步开关过程，其中界面电荷捕获/释放参与初始激活过程，而纤维导电在LRS阶段占主导地位，从而提高了开关可靠性和均匀性[14,15]。此外，低频噪声（LFN）分析通过将电流波动与空位辅助的导电路径相关联，提供了对陷阱动态的敏感探测[[16], [17], [18]]。互补密度泛函理论（DFT）模拟也表明，Al的引入可以提高锐钛矿/金红石异质结构的导电性，这与实验趋势一致。
在这项工作中，我们证明了Al–A/R-TiO₂中间层能够实现超快、低电压和高度稳定的双极开关。这种界面工程策略减轻了基于氧化物的RRAM中典型的耐久性-可变性权衡，并为高性能、节能的存储器和类脑器件架构提供了可扩展的途径。
