We investigate the behavior of the metal-insulator transition (MIT) in TiS3 nanowire field-effect transistors, in the strongly nonequilibrium limit that has, thus far, largely been neglected. Under high electric fields within the TiS3 channel (115 kV/cm), we observe the emergence of a critical fixed point, separating insulating and metallic regions in the transfer curves of the device. The critical gate voltage that defines this fixed point evolves systematically with the drain bias (field), allowing us to map out a phase diagram that identifies the conditions for metallicity or for insulating behavior. Dependent upon the choice of the gate voltage used to tune the carrier concentration in the nanowire, the existence of the field-induced MIT allows the TiS3 to be either insulating or metallic over an extensive range of temperature. The possible connection of this strongly nonequilibrium state to some form of charge density wave is discussed.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
D. L.
Duong
,
S. J.
Yun
, and
Y. H.
Lee
,
ACS Nano
11
,
11803
(
2017
).
3.
A.
Patra
and
C. S.
Rout
,
RSC Adv.
10
,
36413
(
2020
).
4.
J. A.
Wilson
,
Phys. Rev. B
19
,
6456
(
1979
).
6.
M. D.
Randle
,
A.
Lipatov
,
I.
Mansaray
,
J. E.
Han
,
A.
Sinitskii
, and
J. P.
Bird
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
210502
(
2021
).
7.
J. O.
Island
,
A. J.
Molina-Mendoza
,
M.
Barawi
,
R.
Biele
,
E.
Flores
,
J. M.
Clamagirand
,
J. R.
Ares
,
C.
Sánchez
,
H. S. J.
van der Zant
,
R.
D'Agosta
,
I. J.
Ferrer
, and
A.
Castellanos-Gomez
,
2D Mater.
4
,
022003
(
2017
).
8.
J.
Gopalakrishnan
and
K.
Nanjundaswamy
,
Bull. Mater. Sci.
5
,
287
(
1983
).
9.
A.
Lipatov
,
M. J.
Loes
,
H.
Lu
,
J.
Dai
,
P.
Patoka
,
N. S.
Vorobeva
,
D. S.
Muratov
,
G.
Ulrich
,
B.
Kästner
,
A.
Hoehl
,
G.
Ulm
,
X. C.
Zeng
,
E.
Rühl
,
A.
Gruverman
,
P. A.
Dowben
, and
A.
Sinitskii
,
ACS Nano
12
,
12713
(
2018
).
10.
A.
Lipatov
,
P. M.
Wilson
,
M.
Shekhirev
,
J. D.
Teeter
,
R.
Netusil
, and
A.
Sinitskii
,
Nanoscale
7
,
12291
(
2015
).
11.
A. J.
Molina-Mendoza
,
M.
Barawi
,
R.
Biele
,
E.
Flores
,
J. R.
Ares
,
C.
Sánchez
,
G.
Rubio-Bollinger
,
N.
Agraït
,
R.
D'Agosta
,
I. J.
Ferrer
, and
A.
Castellanos-Gomez
,
Adv. Electron. Mater.
1
,
1500126
(
2015
).
12.
H.
Yi
,
T.
Komesu
,
S.
Gilbert
,
G.
Hao
,
A. J.
Yost
,
A.
Lipatov
,
A.
Sinitskii
,
J.
Avila
,
C.
Chen
,
M. C.
Asensio
, and
P. A.
Dowben
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
052102
(
2018
).
13.
S.
Kikkawa
,
M.
Koizumi
,
S.
Yamanaka
,
Y.
Onuki
, and
S.
Tanuma
,
Phys. Status Solidi A
61
,
K55
(
1980
).
14.
O.
Gorochov
,
A.
Katty
,
N. L.
Nagard
,
C.
Levy-Clement
, and
D. M.
Schleich
,
Mater. Res. Bull.
18
,
111
(
1983
).
15.
P.-L.
Hsieh
,
C. M.
Jackson
, and
G.
Grüner
,
Solid State Commun.
46
,
505
(
1983
).
16.
E.
Finkman
and
B.
Fisher
,
Solid State Commun.
50
,
25
(
1984
).
17.
I. G.
Gorlova
,
V. Y.
Pokrovskii
,
S. G.
Zybtsev
,
A. N.
Titov
, and
V. N.
Timofeev
,
J. Exp. Theor. Phys.
111
,
298
(
2010
).
18.
I. G.
Gorlova
,
S. G.
Zybtsev
,
V. Y.
Pokrovskii
,
N. B.
Bolotina
,
I. A.
Verin
, and
A. N.
Titov
,
Phys. B: Condens. Matter
407
,
1707
(
2012
).
19.
I. G.
Gorlova
,
S. G.
Zybtsev
, and
V. Y.
Pokrovskii
,
JETP Lett.
100
,
256
(
2014
).
20.
I. G.
Gorlova
,
S. G.
Zybtsev
,
V. Y.
Pokrovskii
,
N. B.
Bolotina
,
S. Y.
Gavrilkin
, and
A. Y.
Tsvetkov
,
Phys. B: Condens. Matter
460
,
11
(
2015
).
21.
I. G.
Gorlova
,
V. Y.
Pokrovskii
,
S. Y.
Gavrilkin
, and
A. Y.
Tsvetkov
,
JETP Lett.
107
,
175
(
2018
).
22.
E. Z.
Ce Huang
,
X.
Yuan
,
W.
Wang
,
Y.
Liu
,
C.
Zhang
,
J.
Ling
,
S.
Liu
, and
F.
Xiu
,
Chin. Phys. B
26
,
67302
(
2017
).
23.
M.
Randle
,
A.
Lipatov
,
A.
Kumar
,
C.-P.
Kwan
,
J.
Nathawat
,
B.
Barut
,
S.
Yin
,
K.
He
,
N.
Arabchigavkani
,
R.
Dixit
,
T.
Komesu
,
J.
Avila
,
M. C.
Asensio
,
P. A.
Dowben
,
A.
Sinitskii
,
U.
Singisetti
, and
J. P.
Bird
,
ACS Nano
13
,
803
(
2019
).
24.
I. G.
Gorlova
,
A. V.
Frolov
,
A. P.
Orlov
,
V. Y.
Pokrovskii
, and
W. W.
Pai
,
JETP Lett.
110
,
417
(
2019
).
25.
S.
Baraghani
,
J.
Abourahma
,
Z.
Barani
,
A.
Mohammadzadeh
,
S.
Sudhindra
,
A.
Lipatov
,
A.
Sinitskii
,
F.
Kargar
, and
A. A.
Balandin
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
47033
(
2021
).
26.
N.
Papadopoulos
,
E.
Flores
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
J. R.
Ares
,
C.
Sanchez
,
I. J.
Ferrer
,
A.
Castellanos-Gomez
,
G. A.
Steele
, and
H. S. J.
van der Zant
,
2D Mater.
7
,
015009
(
2020
).
27.
T. L.
Adelman
,
S. V.
Zaitsev-Zotov
, and
R. E.
Thorne
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
5264
(
1995
).
28.
R.
Kurita
,
M.
Koyano
, and
S. I.
Katayama
,
Phys. B: Condens. Matter
284–288
,
1661
(
2000
).
29.
A.
Dhingra
,
A.
Lipatov
,
M. J.
Loes
,
A.
Sinitskii
, and
P. A.
Dowben
,
ACS Mater. Lett.
3
,
414
(
2021
).
30.
E.
Guilmeau
,
D.
Berthebaud
,
P. R. N.
Misse
,
S.
Hébert
,
O. I.
Lebedev
,
D.
Chateigner
,
C.
Martin
, and
A.
Maignan
,
Chem. Mater.
26
,
5585
(
2014
).
31.
I. N.
Trunkin
,
I. G.
Gorlova
,
N. B.
Bolotina
,
V. I.
Bondarenko
,
Y. M.
Chesnokov
, and
A. L.
Vasiliev
,
J. Mater. Sci.
56
,
2150
(
2021
).
32.
M.
Randle
,
A.
Lipatov
,
A.
Kumar
,
P. A.
Dowben
,
A.
Sinitskii
,
U.
Singisetti
, and
J. P.
Bird
,
ACS Nano
13
,
8498
(
2019
).
33.
I. G.
Gorlova
,
V. Y.
Pokrovskii
,
A. V.
Frolov
, and
A. P.
Orlov
,
ACS Nano
13
,
8495
(
2019
).
34.
A. J.
Molina-Mendoza
,
J. O.
Island
,
W. S.
Paz
,
J. M.
Clamagirand
,
J. R.
Ares
,
E.
Flores
,
F.
Leardini
,
C.
Sánchez
,
N.
Agraït
,
G.
Rubio-Bollinger
,
H. S. J.
van der Zant
,
I. J.
Ferrer
,
J. J.
Palacios
, and
A.
Castellanos-Gomez
,
Adv. Funct. Mater.
27
,
1605647
(
2017
).
35.
S. J.
Gilbert
,
A.
Lipatov
,
A. J.
Yost
,
M. J.
Loes
,
A.
Sinitskii
, and
P. A.
Dowben
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
101604
(
2019
).
36.
M.
Imada
,
A.
Fujimori
, and
Y.
Tokura
,
Rev. Mod. Phys.
70
,
1039
(
1998
).
37.
A.
Geremew
,
M. A.
Bloodgood
,
E.
Aytan
,
B. W. K.
Woo
,
S. R.
Corber
,
G.
Liu
,
K.
Bozhilov
,
T. T.
Salguero
,
S.
Rumyantsev
,
M. P.
Rao
, and
A. A.
Balandin
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
735
(
2018
).
38.
M. A.
Stolyarov
,
G.
Liu
,
M. A.
Bloodgood
,
E.
Aytan
,
C.
Jiang
,
R.
Samnakay
,
T. T.
Salguero
,
D. L.
Nika
,
S. L.
Rumyantsev
,
M. S.
Shur
,
K. N.
Bozhilov
, and
A. A.
Balandin
,
Nanoscale
8
,
15774
(
2016
).
39.
M.
Suzuki
,
Y.
Ominami
,
Q.
Ngo
,
C. Y.
Yang
,
A. M.
Cassell
, and
J.
Li
,
J. Appl. Phys.
101
,
114307
(
2007
).
40.
R.
Murali
,
Y.
Yang
,
K.
Brenner
,
T.
Beck
, and
J. D.
Meindl
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
243114
(
2009
).
41.
A.
Lipatov
,
A.
Goad
,
M. J.
Loes
,
N. S.
Vorobeva
,
J.
Abourahma
,
Y.
Gogotsi
, and
A.
Sinitskii
,
Matter
4
,
1413
(
2021
).
42.
A.
Lipatov
,
M. J.
Loes
,
N. S.
Vorobeva
,
S.
Bagheri
,
J.
Abourahma
,
H.
Chen
,
X.
Hong
,
Y.
Gogotsi
, and
A.
Sinitskii
,
ACS Mater. Lett.
3
,
1088
(
2021
).
43.
P.-F.
Wang
,
Q.
Hu
,
T.
Zheng
,
Y.
Liu
,
X.
Xu
, and
J.-L.
Sun
,
Crystals
10
,
764
(
2020
).
44.
Z.
Shao
,
X.
Cao
,
H.
Luo
, and
P.
Jin
,
NPG Asia Mater.
10
,
581
(
2018
).
45.
C.-W.
Chen
,
J.
Choe
, and
E.
Morosan
,
Rep. Prog. Phys.
79
,
084505
(
2016
).
46.
X.
Zhu
,
Y.
Cao
,
J.
Zhang
,
E. W.
Plummer
, and
J.
Guo
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
112
,
2367
(
2015
).
47.
X.
Zhu
,
J.
Guo
,
J.
Zhang
, and
E. W.
Plummer
,
Adv. Phys.: X
2
,
622
(
2017
).
48.
J.
McCarten
,
D. A.
DiCarlo
,
M. P.
Maher
,
T. L.
Adelman
, and
R. E.
Thorne
,
Phys. Rev. B
46
,
4456
(
1992
).
49.
S. V.
Zaitsev-Zotov
,
Phys.-Usp.
47
,
533
(
2004
).
50.
E.
Slot
,
M. A.
Holst
,
H. S. J.
van der Zant
, and
S. V.
Zaitsev-Zotov
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
176602
(
2004
).
You do not currently have access to this content.