We have studied the spin-orbit torques in perpendicularly magnetized Hf/CoFeB/MgO system, by systematically varying the thickness of Hf underlayer. We have observed a sign change of effective fields between Hf thicknesses of 1.75 and 2 nm, indicating that competing mechanisms, such as the Rashba and spin Hall effects, contribute to spin-orbit torques in our system. For larger Hf thicknesses (>2 nm), both the components of spin-orbit torques arise predominantly from the bulk spin Hall effect. We have also confirmed these results using spin-orbit torque induced magnetization switching measurements. Our results could be helpful in designing Hf based SOT devices.

1.
I. M.
Miron
,
T.
Moore
,
H.
Szambolics
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
,
M.
Bonfim
,
A.
Schuhl
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Mater.
10
,
419
(
2011
).
2.
L. Q.
Liu
,
T.
Moriyama
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
036601
(
2011
).
3.
L.
Liu
,
C. F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
(
2012
).
4.
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S.-M.
Ahn
,
E.
Martinez
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
12
,
611
(
2013
).
5.
X.
Qiu
,
P.
Deorani
,
K.
Narayanapillai
,
K.-S.
Lee
,
K.-J.
Lee
,
H.-W.
Lee
, and
H.
Yang
,
Sci. Rep.
4
,
4491
(
2014
).
6.
S.-H.
Yang
,
K.-S.
Ryu
, and
S.
Parkin
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
221
(
2015
).
7.
M.
Jamali
,
K.
Narayanapillai
,
X.
Qiu
,
L. M.
Loong
,
A.
Manchon
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
246602
(
2013
).
8.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
Y.
Fan
,
J. G.
Alzate
,
W.
Jiang
,
K. L.
Wong
,
S.
Takei
,
S. A.
Bender
,
L.-T.
Chang
,
Y.
Jiang
,
M.
Lang
,
J.
Tang
,
Y.
Wang
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
548
(
2014
).
9.
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
C. O.
Avci
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
S.
Blugel
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
587
(
2013
).
10.
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
S.
Mitani
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
12
,
240
(
2013
).
11.
I. M.
Miron
,
K.
Garello
,
G.
Gaudin
,
P.-J.
Zermatten
,
M. V.
Costache
,
S.
Auffret
,
S.
Bandiera
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
, and
P.
Gambardella
,
Nature
476
,
189
(
2011
).
12.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
DuttaGupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
,
535
(
2016
).
13.
K.
Garello
,
C. O.
Avci
,
I. M.
Miron
,
M.
Baumgartner
,
A.
Ghosh
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
212402
(
2014
).
14.
M.
Sasikanth
,
E. N.
Dmitri
, and
A. Y.
Ian
,
Appl. Phys. Express
7
,
103001
(
2014
).
15.
C. F.
Pai
,
L. Q.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122404
(
2012
).
16.
Y.
Fan
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Kou
,
M.
Lang
,
S.
Takei
,
Z.
Wang
,
J.
Tang
,
L.
He
,
L.-T.
Chang
,
M.
Montazeri
,
G.
Yu
,
W.
Jiang
,
T.
Nie
,
R. N.
Schwartz
,
Y.
Tserkovnyak
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Mater.
13
,
699
(
2014
).
17.
Y.
Wang
,
P.
Deorani
,
K.
Banerjee
,
N.
Koirala
,
M.
Brahlek
,
S.
Oh
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
257202
(
2015
).
18.
X. P.
Qiu
,
K.
Narayanapillai
,
Y.
Wu
,
P.
Deorani
,
D. H.
Yang
,
W. S.
Noh
,
J. H.
Park
,
K. J.
Lee
,
H. W.
Lee
, and
H.
Yang
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
333
(
2015
).
19.
M.
Akyol
,
J. G.
Alzate
,
G. Q.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
K. L.
Wong
,
A.
Ekicibil
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
032406
(
2015
).
20.
L. M.
Loong
,
P.
Deorani
,
X.
Qiu
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
022405
(
2015
).
21.
K.-F.
Huang
,
D.-S.
Wang
,
H.-H.
Lin
, and
C.-H.
Lai
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
232407
(
2015
).
22.
K.
Narayanapillai
,
K.
Gopinadhan
,
X.
Qiu
,
A.
Annadi
,
Ariando
,
T.
Venkatesan
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
162405
(
2014
).
23.
M.
Akyol
,
G. Q.
Yu
,
J. G.
Alzate
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Li
,
K. L.
Wong
,
A.
Ekicibil
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
162409
(
2015
).
24.
J.
Torrejon
,
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
S.
Mitani
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
, and
H.
Ohno
,
Nat. Commun.
5
,
4655
(
2014
).
25.
C.-F.
Pai
,
M.-H.
Nguyen
,
C.
Belvin
,
L. H.
Vilela-Leão
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
082407
(
2014
).
26.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
C.
Nistor
,
S.
Godey
,
B.
Ballesteros
,
A.
Mugarza
,
A.
Barla
,
M.
Valvidares
,
E.
Pellegrin
,
A.
Ghosh
,
I. M.
Miron
,
O.
Boulle
,
S.
Auffret
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Phys. Rev. B.
89
,
214419
(
2014
).
27.
P. P. J.
Haazen
,
E.
Murè
,
J. H.
Franken
,
R.
Lavrijsen
,
H. J. M.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Mater.
12
,
299
(
2013
).
28.
T.
Liu
,
J. W.
Cai
, and
L.
Sun
,
AIP Adv.
2
,
032151
(
2012
).
29.
L. C.
Hieu
,
Y. S.
Shim
,
Y.-L.
Lee
,
J.-R.
Jeong
,
Y.-W.
Oh
, and
B.-G.
Park
,
J. Korean Phys. Soc.
67
,
1235
(
2015
).
30.
J. H.
Choi
,
Y.
Mao
, and
J. P.
Chang
,
Mater. Sci. Eng. R
72
,
97
(
2011
).
31.
A. V.
Khvalkovskiy
,
V.
Cros
,
D.
Apalkov
,
V.
Nikitin
,
M.
Krounbi
,
K. A.
Zvezdin
,
A.
Anane
,
J.
Grollier
, and
A.
Fert
,
Phys. Rev. B.
87
,
020402
(
2013
).
32.
A.
Manchon
, “
Spin Hall effect versus Rashba torque: A diffusive approach,”
e-print arXiv:1204.4869.
33.
G.
Allen
,
S.
Manipatruni
,
D. E.
Nikonov
,
M.
Doczy
, and
I. A.
Young
,
Phys. Rev. B.
91
,
144412
(
2015
).
34.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4951674 for film characterisation and techniques for Hall resistance measurements.
35.
J.
Liu
,
T.
Ohkubo
,
S.
Mitani
,
K.
Hono
, and
M.
Hayashi
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
232408
(
2015
).
36.
M.
Hayashi
,
J.
Kim
,
M.
Yamanouchi
, and
H.
Ohno
,
Phys. Rev. B.
89
,
144425
(
2014
).
37.
H.-R.
Lee
,
K.
Lee
,
J.
Cho
,
Y.-H.
Choi
,
C.-Y.
You
,
M.-H.
Jung
,
F.
Bonell
,
Y.
Shiota
,
S.
Miwa
, and
Y.
Suzuki
,
Sci. Rep.
4
,
6548
(
2014
).
38.
J. E.
Hirsch
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
1834
(
1999
).
39.
M. I.
Dyakonov
and
V. I.
Perel
,
Phys. Lett. A
35
,
459
(
1971
).
40.
P. C.
van Son
,
H.
van Kempen
, and
P.
Wyder
,
Phys. Rev. Lett.
58
,
2271
(
1987
).
41.
S.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
393
(
2000
).
42.
S.
Cho
,
S.-H. C.
Baek
,
K.-D.
Lee
,
Y.
Jo
, and
B.-G.
Park
,
Sci. Rep.
5
,
14668
(
2015
).
43.
I. M.
Miron
,
G.
Gaudin
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Mater.
9
,
230
(
2010
).
44.
D. A.
Pesin
and
A. H.
MacDonald
,
Phys. Rev. B.
86
,
014416
(
2012
).
45.
X.
Wang
and
A.
Manchon
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
117201
(
2012
).
46.
A.
Manchon
,
H. C.
Koo
,
J.
Nitta
,
S. M.
Frolov
, and
R. A.
Duine
,
Nat. Mater.
14
,
871
(
2015
).
47.
K.-W.
Kim
,
S.-M.
Seo
,
J.
Ryu
,
K.-J.
Lee
, and
H.-W.
Lee
,
Phys. Rev. B.
85
,
180404
(
2012
).
48.
A.
Manchon
and
S.
Zhang
,
Phys. Rev. B.
79
,
094422
(
2009
).
49.
S. E.
Barnes
,
J. I.
Ieda
, and
S.
Maekawa
,
Sci. Rep.
4
,
4105
(
2014
).
50.
H. B.
Michaelson
,
J. Appl. Phys.
48
,
4729
(
1977
).
51.
T.
Uhrmann
,
T.
Dimopoulos
,
H.
Brückl
,
V. K.
Lazarov
,
A.
Kohn
,
U.
Paschen
,
S.
Weyers
,
L.
Bär
, and
M.
Rührig
,
J. Appl. Phys.
103
,
063709
(
2008
).
52.
K.-R.
Jeon
,
B.-C.
Min
,
Y.-H.
Jo
,
H.-S.
Lee
,
I.-J.
Shin
,
C.-Y.
Park
,
S.-Y.
Park
, and
S.-C.
Shin
,
Phys. Rev. B.
84
,
165315
(
2011
).
53.
J. Y.
Lim
,
J. S.
Oh
,
B. D.
Ko
,
J.
Won Cho
,
S. O.
Kang
,
G.
Cho
,
H. S.
Uhm
, and
E. H.
Choi
,
J. Appl. Phys.
94
,
764
(
2003
).
54.
T.
Taniguchi
,
S.
Mitani
, and
M.
Hayashi
,
Phys. Rev. B.
92
,
024428
(
2015
).
55.
K.
Di
,
V. L.
Zhang
,
H. S.
Lim
,
S. C.
Ng
,
M. H.
Kuok
,
J.
Yu
,
J.
Yoon
,
X.
Qiu
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
047201
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.