Electrochemical mechanism of ionic-liquid gating in antiferromagnetic Mott-insulating NiS2 single crystals

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作者
Sajna Hameed,Bryan Voigt,John E. Dewey,William C. Moore,Damjan Pelc,Bhaskar Das,S. El-Khatib,Javier García‐Barriocanal,Bing Luo,Nicholas C.A. Seaton,Guichuan Yu,Chris Leighton,M. Greven
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:6 (6)
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.6.064601
摘要

We explore the effect of ionic-liquid gating in the antiferromagnetic Mott insulator ${\mathrm{NiS}}_{2}$. Through temperature- and gate-voltage-dependent electronic transport measurements, a gating-induced three-dimensional metallic state is observed at positive gate bias on single-crystal surfaces. Based on transport, energy-dispersive x-ray spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, and other techniques, we deduce an $\mathit{electrochemical}$ gating mechanism involving a substantial decrease in the S:Ni ratio over hundreds of nanometers, which is both nonvolatile and irreversible. Such findings are in striking contrast to the reversible, volatile, two-dimensional $\mathit{electrostatic}$ gate effect previously seen in pyrite ${\mathrm{FeS}}_{2}$. We attribute this stark difference in electrochemical vs electrostatic gating response in ${\mathrm{NiS}}_{2}$ and ${\mathrm{FeS}}_{2}$ to the much larger S diffusion coefficient in ${\mathrm{NiS}}_{2}$. The gating irreversibility, on the other hand, is associated with the lack of atmospheric S, in contrast to the better understood oxide case, where electrolysis of atmospheric ${\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}$ provides an O reservoir. The present study of ${\mathrm{NiS}}_{2}$ thus provides insight into electrolyte gating mechanisms in functional materials, in a relatively unexplored limit.

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