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.
References
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.
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
).© 2016 Author(s).
2016
Author(s)
You do not currently have access to this content.