We demonstrate an electrically induced, non-volatile, metal-insulator phase transition in a MoS2 transistor. A ferroelectric capacitor made of single crystalline, epitaxially grown PbZr0.2Ti0.8O3 was connected to the gate of a field effect thin film MoS2 transistor. When a voltage is applied to this ferroelectric capacitor, a clear transition from an insulator to a metal and vice versa is observed in the transistor. Importantly, when the biased voltage is turned off, the remnant polarization in the ferroelectric can keep the MoS2 in its original phase, thereby providing a non-volatile state. Thus, a metallic or insulating phase can be written, erased, or retained simply by biasing the externally connected ferroelectric capacitor.

1.
Y.
Yoon
,
K.
Ganapathi
, and
S.
Salahuddin
,
Nano Lett.
11
,
3768
(
2011
).
2.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
3.
S.
Kim
,
A.
Konar
,
W.-S.
Hwang
,
J. H.
Lee
,
J.
Lee
,
J.
Yang
,
C.
Jung
,
H.
Kim
,
J.-B.
Yoo
,
J.-Y.
Choi
,
Y. W.
Jin
,
S. Y.
Lee
,
D.
Jena
,
W.
Choi
, and
K.
Kim
,
Nat. Commun.
3
,
1011
(
2012
).
4.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
5.
J. T.
Ye
,
Y. J.
Zhang
,
R.
Akashi
,
M. S.
Bahramy
,
R.
Arita
, and
Y.
Iwasa
,
Science
338
,
1193
(
2012
).
6.
D.
Costanzo
,
S.
Jo
,
H.
Berger
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
339
(
2016
).
7.
B.
Radisavljevic
and
A.
Kis
,
Nat. Mater.
12
,
815
(
2013
).
8.
X.
Chen
,
Z.
Wu
,
S.
Xu
,
L.
Wang
,
R.
Huang
,
Y.
Han
,
W.
Ye
,
W.
Xiong
,
T.
Han
,
G.
Long
,
Y.
Wang
,
Y.
He
,
Y.
Cai
,
P.
Sheng
, and
N.
Wang
,
Nat. Commun.
6
,
6088
(
2015
).
9.
K. J.
Choi
,
M.
Biegalski
,
Y. L.
Li
,
A.
Sharan
,
J.
Schubert
,
R.
Uecker
,
P.
Reiche
,
Y. B.
Chen
,
X. Q.
Pan
,
V.
Gopalan
,
L.-Q.
Chen
,
D. G.
Schlom
, and
C. B.
Eom
,
Science
306
,
1005
(
2004
).
10.
H. N.
Lee
,
S. M.
Nakhmanson
,
M. F.
Chisholm
,
H. M.
Christen
,
K. M.
Rabe
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
217602
(
2007
).
11.
X.
Hong
,
J.
Hoffman
,
A.
Posadas
,
K.
Zou
,
C. H.
Ahn
, and
J.
Zhu
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
033114
(
2010
).
12.
E. B.
Song
,
B.
Lian
,
S.
Min Kim
,
S.
Lee
,
T. K.
Chung
,
M.
Wang
,
C.
Zeng
,
G.
Xu
,
K.
Wong
,
Y.
Zhou
,
H. I.
Rasool
,
D. H.
Seo
,
H. J.
Chung
,
J.
Heo
,
S.
Seo
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
042109
(
2011
).
13.
14.
X. W.
Zhang
,
D.
Xie
,
J. L.
Xu
,
Y. L.
Sun
,
X.
Li
,
C.
Zhang
,
R. X.
Dai
,
Y. F.
Zhao
,
X. M.
Li
,
X.
Li
, and
H. W.
Zhu
,
IEEE Electron Device Lett.
36
,
784
(
2015
).
15.
A.
Lipatov
,
P.
Sharma
,
A.
Gruverman
, and
A.
Sinitskii
,
ACS Nano
9
,
8089
(
2015
).
16.
C.
Ko
,
Y.
Lee
,
Y.
Chen
,
J.
Suh
,
D.
Fu
,
A.
Suslu
,
S.
Lee
,
J. D.
Clarkson
,
H. S.
Choe
,
S.
Tongay
,
R.
Ramesh
, and
J.
Wu
,
Adv. Mater.
28
,
2923
(
2016
).
17.
Z.
Lu
,
C.
Serrao
,
A. I.
Khan
,
L.
You
,
J. C.
Wong
,
Y.
Ye
,
H.
Zhu
,
X.
Zhang
, and
S.
Salahuddin
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
23104
(
2017
).
18.
F. A.
McGuire
,
Z.
Cheng
,
K.
Price
, and
A. D.
Franklin
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
093101
(
2016
).
19.
A.
Nourbakhsh
,
A.
Zubair
,
S.
Joglekar
,
M.
Dresselhaus
, and
T.
Palacios
,
Nanoscale
9
,
6122
(
2017
).
20.
F. A.
McGuire
,
Y.-C.
Lin
,
K.
Price
,
G. B.
Rayner
,
S.
Khandelwal
,
S.
Salahuddin
, and
A. D.
Franklin
,
Nano Lett.
17
(
8
),
4801
(
2017
).
21.
M.
Si
,
C.-J.
Su
,
C.
Jiang
,
N. J.
Conrad
,
H.
Zhou
,
K. D.
Maize
,
G.
Qiu
,
C.-T.
Wu
,
A.
Shakouri
,
M. A.
Alam
, and
P. D.
Ye
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
24
(
2018
).
22.
S.
Salahuddin
and
S.
Datta
,
Nano Lett.
8
,
405
(
2008
).
23.
X.
Wang
,
C.
Liu
,
Y.
Chen
,
G.
Wu
,
X.
Yan
,
H.
Huang
,
P.
Wang
,
B.
Tian
,
Z.
Hong
,
Y.
Wang
,
S.
Sun
,
H.
Shen
,
T.
Lin
,
W.
Hu
,
M.
Tang
,
P.
Zhou
,
J.
Wang
,
J.
Sun
,
X.
Meng
,
J.
Chu
, and
Z.
Li
,
2D Mater.
4
,
25036
(
2017
).
24.
Z.
Xiao
,
J.
Song
,
D. K.
Ferry
,
S.
Ducharme
, and
X.
Hong
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
236801
(
2017
).
25.
Y.
Huang
,
J.
Wu
,
X.
Xu
,
Y.
Ho
,
G.
Ni
,
Q.
Zou
,
G. K. W.
Koon
,
W.
Zhao
,
A. H.
Castro Neto
,
G.
Eda
,
C.
Shen
, and
B.
Özyilmaz
,
Nano Res.
6
,
200
(
2013
).
26.
T.
Roy
,
M.
Tosun
,
X.
Cao
,
H.
Fang
,
D.-H.
Lien
,
P.
Zhao
,
Y.-Z.
Chen
,
Y.-L.
Chueh
,
J.
Guo
, and
A.
Javey
,
ACS Nano
9
,
2071
(
2015
).
27.
Z.
Lu
,
O.
Lee
,
J. C.
Wong
, and
S.
Salahuddin
,
J. Mater. Res.
3
,
911
(
2016
).
28.
K.
Choi
,
S. R. A.
Raza
,
H. S.
Lee
,
P. J.
Jeon
,
A.
Pezeshki
,
S.
Min
,
J. S.
Kim
,
W.
Yoon
,
S.
Ju
,
K.
Lee
, and
S.
Im
,
Nanoscale
7
,
5617
(
2015
).
29.
H.
Wang
,
L.
Yu
,
Y. H.
Lee
,
Y.
Shi
,
A.
Hsu
,
M. L.
Chin
,
L. J.
Li
,
M.
Dubey
,
J.
Kong
, and
T.
Palacios
,
Nano Lett.
12
,
4674
(
2012
).
30.
H.
Liu
and
P. D.
Ye
,
IEEE Electron Device Lett.
33
,
546
(
2012
).
31.
H.
Qiu
,
T.
Xu
,
Z.
Wang
,
W.
Ren
,
H.
Nan
,
Z.
Ni
,
Q.
Chen
,
S.
Yuan
,
F.
Miao
,
F.
Song
,
G.
Long
,
Y.
Shi
,
L.
Sun
,
J.
Wang
, and
X.
Wang
,
Nat. Commun.
4
,
2642
(
2013
).
32.
H.
Schmidt
,
S.
Wang
,
L.
Chu
,
M.
Toh
,
R.
Kumar
,
W.
Zhao
,
A. H.
Castro Neto
,
J.
Martin
,
S.
Adam
,
B.
Özyilmaz
, and
G.
Eda
,
Nano Lett.
14
,
1909
(
2014
).
33.
A. I.
Khan
,
K.
Chatterjee
,
J. P.
Duarte
,
Z.
Lu
,
A.
Sachid
,
S.
Khandelwal
,
R.
Ramesh
,
C.
Hu
, and
S.
Salahuddin
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
111
(
2016
).
34.
W. J.
Hu
,
D.-M.
Juo
,
L.
You
,
J.
Wang
,
Y.-C.
Chen
,
Y.-H.
Chu
, and
T.
Wu
,
Sci. Rep.
4
,
4772
(
2014
).
35.
C. H.
Ahn
,
S.
Gariglio
,
P.
Paruch
,
T.
Tybell
,
L.
Antognazza
, and
J.-M.
Triscone
,
Science
284
,
1152
(
1999
).
36.
K. S.
Takahashi
,
M.
Gabay
,
D.
Jaccard
,
K.
Shibuya
,
T.
Ohnishi
,
M.
Lippmaa
, and
J.-M.
Triscone
,
Nature
441
,
195
(
2006
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.