Spin-orbit torque (SOT) induced magnetization switching has become a research focus in spintronics because it enables energy-efficient switching. There have been several experiments realizing field-free SOT-induced magnetization switching of materials with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in a bilayer system, either using thin Co(Fe) and CoFeB layers with interfacial PMA or using Co/Ni multilayers. All of these stacks are ferromagnets with large saturation magnetization (MS). Here, we demonstrate SOT switching in a multilayer stack of CoFeB/Gd/CoFeB. This stack shows a good PMA and a low MS (370 ± 20 emu/cm3), where CoFeB and Gd layers are antiferromagnetically exchange-coupled with each other. SOT induced magnetization switching has been demonstrated in this stack at zero magnetic field with a switching current density of ∼9.6 × 106 A/cm2 by using antiferromagnetic PtMn as the spin Hall channel material. The spin Hall angle of PtMn was also determined to be ∼0.084 ± 0.005 by performing a second harmonic Hall measurement. This layer structure is compatible with perpendicular magnetic tunnel junctions (p-MTJs), which could enable field-free three-terminal p-MTJs and lead to memory and logic devices based on SOT.
References
1.
S. A.
Wolf
, D. D.
Awschalom
, R. A.
Buhrman
, J. M.
Daughton
, S.
Von Molnar
, M. L.
Roukes
, A. Y.
Chtchelkanova
, and D. M.
Treger
, Science
294
, 1488
(2001
).2.
I.
Žutić
, J.
Fabian
, and S. D.
Sarma
, Rev. Mod. Phys.
76
, 323
(2004
).3.
D. C.
Ralph
and M. D.
Stiles
, J. Magn. Magn. Mater.
320
, 1190
(2008
).4.
H.
Zhao
, A.
Lyle
, Y.
Zhang
, P. K.
Amiri
, G.
Rowlands
, Z.
Zeng
, J.
Katine
, H.
Jiang
, K.
Galatsis
, K. L.
Wang
, I. N.
Krivorotov
, and J. P.
Wang
, J. Appl. Phys.
109
, 07C720
(2011
).5.
Z.
Diao
, Z.
Li
, S.
Wang
, Y.
Ding
, A.
Panchula
, E.
Chen
, L. C.
Wang
, and Y.
Huai
, J. Phys: Condens. Matter
19
, 165209
(2007
).6.
A.
Lyle
, J.
Harms
, S.
Patil
, X.
Yao
, D. J.
Lilja
, and J. P.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
97
, 152504
(2010
).7.
T.
Kawahara
, K.
Ito
, R.
Takemura
, and H.
Ohno
, Microelectron. Reliab.
52
, 613
(2012
).8.
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
).9.
L.
Liu
, O. J.
Lee
, T. J.
Gudmundsen
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Phys. Rev. Lett.
109
, 096602
(2012
).10.
L.
Liu
, C. F.
Pai
, Y.
Li
, H. W.
Tseng
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Science
336
, 555
(2012
).11.
A.
Manchon
and S.
Zhang
, Phys. Rev. B
79
, 094422
(2009
).12.
A.
Manchon
and S.
Zhang
, Phys. Rev. B
78
, 212405
(2008
).13.
H.
Meng
and J. P.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
88
, 172506
(2006
).14.
M.
Cubukcu
, O.
Boulle
, M.
Drouard
, K.
Garello
, C. O.
Avci
, I. M.
Miron
, J.
Langer
, B.
Ocker
, P.
Gambardella
, and G.
Gaudin
, Appl. Phys. Lett.
104
, 042406
(2014
).15.
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
).16.
C. F.
Pai
, L.
Liu
, Y.
Li
, H. W.
Tseng
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Appl. Phys. Lett.
101
, 122404
(2012
).17.
S.
Ikeda
, K.
Miura
, H.
Yamamoto
, K.
Mizunuma
, H. D.
Gan
, M.
Endo
, S.
Kanai
, J.
Hayakawa
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Nat. Mater.
9
, 721
(2010
).18.
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
).19.
L.
You
, O.
Lee
, D.
Bhowmik
, D.
Labanowski
, J.
Hong
, J.
Bokor
, and S.
Salahuddin
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
, 10310
(2015
).20.
Y. C.
Lau
, D.
Betto
, K.
Rode
, J. M. D.
Coey
, and P.
Stamenov
, Nat. Nanotechnol.
11
, 758
(2016
).21.
22.
S.
Fukami
, C.
Zhang
, S.
Dutta Gupta
, A.
Kurenkov
, and H.
Ohno
, Nat. Mater.
15
, 535
(2016
).23.
Y. W.
Oh
, S. C.
Baek
, Y. M.
Kim
, H. Y.
Lee
, K. D.
Lee
, C. G.
Yang
, E. S.
Park
, K. S.
Lee
, K. W.
Kim
, G.
Go
, J. R.
Jeong
, B. C.
Min
, H. W.
Lee
, K. J.
Lee
, and B. G.
Park
, Nat. Nanotechnol.
11
, 878
(2016
).24.
A.
van den Brink
, G.
Vermijs
, A.
Solignac
, J.
Koo
, J. T.
Kohlhepp
, H. J.
Swagten
, and B.
Koopmans
, Nat. Commun.
7
, 10854
(2016
).25.
W. J.
Kong
, Y. R.
Ji
, X.
Zhang
, H.
Wu
, Q. T.
Zhang
, Z. H.
Yuan
, C. H.
Wan
, X. F.
Han
, T.
Yu
, K.
Fukuda
, and H.
Naganuma
, Appl. Phys. Lett.
109
, 132402
(2016
).26.
S.
Fukami
, T.
Anekawa
, C.
Zhang
, and H.
Ohno
, Nat. Nanotechnol.
11
, 621
(2016
).27.
L.
He
, J. Y.
Chen
, J. P.
Wang
, and M.
Li
, Appl. Phys. Lett.
107
, 102402
(2015
).28.
Z.
Zhao
, M.
Jamali
, A. K.
Smith
, and J. P.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
106
, 132404
(2015
).29.
S.
Mangin
, M.
Gottwald
, C. H.
Lambert
, D.
Steil
, V.
Uhlíř
, L.
Pang
, M.
Hehn
, S.
Alebrand
, M.
Cinchetti
, G.
Malinowski
, Y.
Fainman
, M.
Aeschlimann
, and E. E.
Fullerton
, Nat. Mater.
13
, 286
(2014
).30.
M.
DC
, M.
Jamaili
, J. Y.
Chen
, D. R.
Hickey
, D.
Zhang
, Z.
Zhao
, H.
Li
, P.
Quarterman
, Y.
Lv
, M.
Li
, K. A.
Mkhoyan
, and J. P.
Wang
, e-print arXiv:1703.03822.31.
J. Y.
Chen
, N.
Thiyagarajah
, H. J.
Xu
, and J. M. D.
Coey
, Appl. Phys. Lett.
104
, 152405
(2014
).32.
J.
Kim
, J.
Sinha
, M.
Hayashi
, M.
Yamanouchi
, S.
Fukami
, T.
Suzuki
, S.
Mitani
, and H.
Ohno
, Nat. Mater.
12
, 240
(2013
).33.
K.
Garello
, I. M.
Miron
, C. O.
Avci
, F.
Freimuth
, Y.
Mokrousov
, S.
Blügel
, S.
Auffret
, O.
Boulle
, G.
Gaudin
, and P.
Gambardella
, Nat. Nanotechnol.
8
, 587
(2013
).34.
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
).35.
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(R)
(2013
).36.
W.
Zhang
, M. B.
Jungfleisch
, W.
Jiang
, J. E.
Pearson
, A.
Hoffmann
, F.
Freimuth
, and Y.
Mokrousov
, Phys. Rev. Lett.
113
, 196602
(2014
).37.
Y.
Ou
, S.
Shi
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Phys. Rev. B
93
, 220405
(2016
).38.
Y.
Wang
, P.
Deorani
, X.
Qiu
, J. H.
Kwon
, and H.
Yang
, Appl. Phys. Lett.
105
, 152412
(2014
).39.
T.
Nan
, S.
Emori
, C. T.
Boone
, X.
Wang
, T. M.
Oxholm
, J. G.
Jones
, B. M.
Howe
, G. J.
Brown
, and N. X.
Sun
, Phys. Rev. B
91
, 214416
(2015
).40.
X.
Qiu
, W.
Legrand
, P.
He
, Y.
Wu
, J.
Yu
, R.
Ramaswamy
, A.
Manchon
, and H.
Yang
, Phys. Rev. Lett.
117
, 217206
(2016
).41.
W.
Zhang
, W.
Han
, X.
Jiang
, S. H.
Yang
, and S. S. P.
Parkin
, Nat. Phys.
11
, 496
(2015
).42.
D.
Wu
, G.
Yu
, C. T.
Chen
, S. A.
Razavi
, Q.
Shao
, X.
Li
, B.
Zhao
, K. L.
Wong
, C.
He
, Z.
Zhang
, P. K.
Amiri
, and K. L.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
109
, 222401
(2016
).43.
G.
Yu
, P.
Upadhyaya
, K. L.
Wong
, W.
Jiang
, J. G.
Alzate
, J.
Tang
, P. K.
Amiri
, and K. L.
Wang
, Phys. Rev. B
89
, 104421
(2014
).44.
C. K.
Safeer
, E.
Jué
, A.
Lopez
, L.
Buda-Prejbeanu
, S.
Auffret
, S.
Pizzini
, O.
Boulle
, I. M.
Miron
, and G.
Gaudin
, Nat. Nanotechnol.
11
, 143
(2016
).45.
J. Y.
Chen
, L.
He
, J. P.
Wang
, and M.
Li
, Phys. Rev. Appl.
7
, 021001
(2017
).© 2017 Author(s).
2017
Author(s)
You do not currently have access to this content.
