We studied the tunnel magnetoresistance (TMR) of L10-FePd perpendicular magnetic tunnel junctions (p-MTJs) with an FePd free layer and an inserted diffusion barrier. The diffusion barriers studied here (Ta and W) were shown to enhance the TMR ratio of the p-MTJs formed using high-temperature annealing, which are necessary for the formation of high quality L10-FePd films and MgO barriers. The L10-FePd p-MTJ stack was developed with an FePd free layer with a stack of FePd/X/Co20Fe60B20, where X is the diffusion barrier, and patterned into micron-sized MTJ pillars. The addition of the diffusion barrier was found to greatly enhance the magneto-transport behavior of the L10-FePd p-MTJ pillars such that those without a diffusion barrier exhibited negligible TMR ratios (<1.0%), whereas those with a Ta (W) diffusion barrier exhibited TMR ratios of 8.0% (7.0%) at room temperature and 35.0% (46.0%) at 10 K after post-annealing at 350 °C. These results indicate that diffusion barriers could play a crucial role in realizing high TMR ratios in bulk p-MTJs such as those based on FePd and Mn-based perpendicular magnetic anisotropy materials for spintronic applications.
References
1.
H.
Meng
and J. P.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
88
, 172506
(2006
).2.
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
).3.
W.-G.
Wang
, M.
Li
, S.
Hageman
, and C. L.
Chien
, Nat. Mater.
11
, 64
(2012
).4.
A. D.
Kent
and D. C.
Worledge
, Nat. Nanotechnol.
10
, 187
(2015
).5.
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
).6.
P.
Li
, T.
Liu
, H.
Chang
, A.
Kalitsov
, W.
Zhang
, G.
Csaba
, W.
Li
, D.
Richardson
, A.
DeMann
, G.
Rimal
, H.
Dey
, J. S.
Jiang
, W.
Porod
, S. B.
Field
, J.
Tang
, M. C.
Marconi
, A.
Hoffmann
, O.
Mryasov
, and M.
Wu
, Nat. Commun.
7
, 12688
(2016
).7.
S.
Yakata
, H.
Kubota
, T.
Sugano
, T.
Seki
, K.
Yakushiji
, A.
Fukushima
, S.
Yuasa
, and K.
Ando
, Appl. Phys. Lett.
95
, 242504
(2009
).8.
H.
Sato
, E. C. I.
Enobio
, M.
Yamanouchi
, S.
Ikeda
, S.
Fukami
, S.
Kanai
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Appl. Phys. Lett.
105
, 062403
(2014
).9.
K. L.
Wang
, J. G.
Alzate
, and P. K.
Amiri
, J. Phys. D: Appl. Phys.
46
, 074003
(2013
).10.
G.
Han
, J.
Huang
, C. H.
Sim
, T.
Michael
, and S. T.
Lim
, J. Phys. D: Appl. Phys.
48
, 225001
(2015
).11.
S.
Iihama
, S.
Mizukami
, H.
Naganuma
, M.
Oogane
, Y.
Ando
, and T.
Miyazaki
, Phys. Rev. B
89
, 174416
(2014
).12.
D. C.
Worledge
, G.
Hu
, D. W.
Abraham
, J. Z.
Sun
, P. L.
Trouilloud
, J.
Nowak
, S.
Brown
, M. C.
Gaidis
, E. J.
O'Sullivan
, and R. P.
Robertazzi
, Appl. Phys. Lett.
98
, 022501
(2011
).13.
P. K.
Amiri
, Z. M.
Zeng
, J.
Langer
, H.
Zhao
, G.
Rowlands
, Y.-J.
Chen
, I. N.
Krivorotov
, J.-P.
Wang
, H. W.
Jiang
, J. A.
Katine
, Y.
Huai
, K.
Galatsis
, and K. L.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
98
, 112507
(2011
).14.
H.
Meng
, R.
Sbia
, M. A. K.
Akhtar
, R. S.
Liu
, V. B.
Naik
, and C. C.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
100
, 122405
(2012
).15.
K.
Mizunuma
, M.
Yamanouchi
, H.
Sato
, S.
Ikeda
, S.
Kanai
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Appl. Phys. Express
6
, 063002
(2013
).16.
Y. K.
Takahashi
, Y.
Miura
, R.
Choi
, T.
Ohkubo
, Z. C.
Wen
, K.
Ishioka
, R.
Mandal
, R.
Medapalli
, H.
Sukegawa
, S.
Mitani
, E. E.
Fullerton
, and K.
Hono
, Appl. Phys. Lett.
110
, 252409
(2017
).17.
H.
Sato
, M.
Yamanouchi
, K.
Miura
, S.
Ikeda
, H. D.
Gan
, K.
Mizunuma
, R.
Koizumi
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Appl. Phys. Lett.
99
, 042501
(2011
).18.
F.
Bonell
, S.
Murakami
, Y.
Shiota
, T.
Nozaki
, T.
Shinjo
, and Y.
Suzuki
, Appl. Phys. Lett.
98
, 232510
(2011
).19.
S.
Iihama
, A.
Sakuma
, H.
Naganuma
, M.
Oogane
, T.
Miyazaki
, S.
Mizukami
, and Y.
Ando
, Appl. Phys. Lett.
105
, 142403
(2014
).20.
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
).21.
P. V.
Ong
, N.
Kioussis
, P. K.
Amiri
, J. G.
Alzate
, K. L.
Wang
, G. P.
Carman
, J.
Hu
, and R.
Wu
, Phys. Rev. B
89
, 094422
(2014
).22.
S.
Iihama
, A.
Sakuma
, H.
Naganuma
, M.
Oogane
, S.
Mizukami
, and Y.
Ando
, Phys. Rev. B
94
, 174425
(2016
).23.
S.
Iihama
, M.
Khan
, H.
Naganuma
, M.
Oogane
, T.
Miyazaki
, S.
Mizukami
, and Y.
Ando
, J. Magn. Soc. Jpn.
39
, 57
(2015
).24.
H.
Naganuma
, G.
Kim
, Y.
Kawada
, N.
Inami
, K.
Hatakeyama
, S.
Iihama
, K. M. N.
Islam
, M.
Oogane
, S.
Mizukami
, and Y.
Ando
, Nano Lett.
15
, 623
(2015
).25.
A. J.
Annunziata
, P. L.
Trouilloud
, S.
Bandiera
, S. L.
Brown
, E.
Gapihan
, E. J.
O'Sullivan
, and D. C.
Worledge
, J. Appl. Phys.
117
, 17B739
(2015
).26.
V.
Garcia-Vazquez
, Y. J.
Chang
, A.
Canizo-Cabrera
, A.
Garzon-Roman
, and T.
Wu
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
, 023001
(2016
).27.
Z.
Zhang
, S.
Cardoso
, P. P.
Freitas
, X.
Batlle
, P.
Wei
, N.
Barradas
, and J. C.
Soares
, J. Appl. Phys.
89
, 6665
(2001
).28.
C.-S.
Yoo
, H. D.
Jeong
, J. H.
Lee
, C. S.
Yoon
, C. K.
Kim
, J. H.
Yuh
, Y.
Ando
, H.
Kubota
, and T.
Miyazaki
, IEEE Trans. Magn.
38
, 2715
(2002
).29.
Y.
Fukumoto
, K.
Shimura
, A.
Kamijo
, S.
Tahara
, and H.
Yoda
, Appl. Phys. Lett.
84
, 233
(2004
).30.
G.
Hu
, T.
Topuria
, P. M.
Rice
, J.
Jordan-Sweet
, and D. C.
Worledge
, IEEE Magn. Lett.
4
, 3000104
(2013
).31.
M. T.
Rahman
, A.
Lyle
, G.
Hu
, W. J.
Gallagher
, and J.-P.
Wang
, J. Appl. Phys.
109
, 07C709
(2011
).32.
D.
Weller
, A.
Moser
, L.
Folks
, M. E.
Best
, W.
Lee
, M. F.
Toney
, M.
Schwickert
, and J.-U.
Thiele
, IEEE Trans. Magn.
36
, 10
(2000
).33.
D. M.
Lattery
, D.
Zhang
, J.
Zhu
, J. P.
Wang
, and X.
Wang
, “Low Gilbert damping constant in perpendicularly magnetized W/CoFeB/MgO films with high thermal stability
,” preprint arXiv:1709.07483.34.
J. H.
Kim
, J. B.
Lee
, G. G.
An
, S.-M.
Yang
, W.-S.
Chung
, H.-S.
Park
, and J.-P.
Hong
, Sci. Rep.
5
, 16903
(2015
).35.
C.-W.
Cheng
, T.-I.
Cheng
, C. H.
Shiue
, C.-L.
Weng
, Y.-C.
Tsai
, and G.
Chern
, IEEE Trans. Magn.
49
, 4433
(2013
).36.
T.
Kubota
, M.
Araidai
, S.
Mizukami
, X.
Zhang
, Q.
Ma
, H.
Naganuma
, M.
Oogane
, Y.
Ando
, M.
Tsukada
, and T.
Miyazaki
, Appl. Phys. Lett.
99
, 192509
(2011
).37.
Q. L.
Ma
, T.
Kubota
, S.
Mizukami
, X. M.
Zhang
, H.
Naganuma
, M.
Oogane
, Y.
Ando
, and T.
Miyazaki
, Phys. Rev. B
87
, 184426
(2013
).38.
S.
Yuasa
, A.
Fukushima
, H.
Kubota
, Y.
Suzuki
, and K.
Ando
, Appl. Phys. Lett.
89
, 042505
(2006
).39.
K.-M.
Chang
, T.-H.
Yeh
, I.-C.
Deng
, and C.-W.
Shih
, J. Appl. Phys.
82
, 1469
(1997
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
