We studied the spin-Hall effect and perpendicular magnetic anisotropy in W/Hf multilayer/CoFeB/MgO and W80Ta20/Hf multilayer/CoFeB/MgO systems and compared them with those in the β-W/CoFeB/MgO system. From the cross-sectional high-resolution transmission electron microscopy images, (i) the amorphous structure of W/Hf and W80Ta20/Hf multilayers, (ii) the flat interface between heavy metals and CoFeB, and (iii) highly (100) texture of MgO (1.0 nm) on CoFeB were observed in those multilayer systems. A higher spin-Hall effect and enhancement of perpendicular magnetic anisotropy in the W/Hf multilayer/CoFeB/MgO system can be achieved compared to the β-W/CoFeB/MgO system. In addition, we found that the resistivity in amorphous W/Hf multilayers is low compared to that in β-W. These results suggest that the artificially synthesized multilayer system is one of the avenues for realizing the heavy metal with a large spin-Hall effect and low resistivity.
References
1.
L.
Liu
, C.-F.
Pai
, Y.
Li
, H. W.
Tseng
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Science
336
, 555
(2012
).2.
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
).3.
W.
Jiang
, P.
Upadhyaya
, W.
Zhang
, G.
Yu
, M. B.
Jungfleisch
, F. Y.
Fradin
, J. E.
Pearson
, Y.
Tserkovnyak
, K. L.
Wang
, O.
Heinonen
, S. G. E.
Velthuis
, and A.
Hoffmann
, Science
349
, 283
(2015
).4.
P. P. J.
Haazen
, E.
Mure
, J. H.
Franken
, R.
Lavrijsen
, H. J. M.
Swagten
, and B.
Koopmans
, Nat. Mater.
12
, 299
(2013
).5.
A.
Chernyshov
, M.
Overby
, X.
Liu
, J. K.
Furdyna
, Y.
Lyanda-Geller
, and L. P.
Rokhinson
, Nat. Phys.
5
, 656
(2009
).6.
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
).7.
J.
Kim
, J.
Sinha
, M.
Hayashi
, M.
Yamanouchi
, S.
Fukami
, T.
Suzuki
, S.
Mitani
, and H.
Ohno
, Nat. Mater.
12
, 240
(2013
).8.
S.
Fukami
, T.
Anekawa
, C.
Zhang
, and H.
Ohno
, Nat. Nanotechnol.
11
, 621
(2016
).9.
K.-S.
Lee
, S.-W.
Lee
, B.-C.
Min
, and K.-J.
Lee
, Appl. Phys. Lett.
104
, 072413
(2014
).10.
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
).11.
C.
Zhang
, S.
Fukami
, H.
Sato
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Appl. Phys. Lett.
107
, 012401
(2015
).12.
M.-H.
Nguyen
, C.-F.
Pai
, K. X.
Nguyen
, D. A.
Muller
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Appl. Phys. Lett.
106
, 222402
(2015
).13.
S. V.
Aradhya
, G. E.
Rowlands
, J.
Oh
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Nano Lett.
16
, 5987
(2016
).14.
M.
Baumgartner
, K.
Garello
, J.
Mendil
, C. O.
Avci
, E.
Grimaldi
, C.
Murer
, J.
Feng
, M.
Gabureac
, C.
Stamm
, Y.
Acremann
, S.
Finizio
, S.
Wintz
, J.
Raabe
, and P.
Gambardella
, Nanotechnology
12
, 980
(2017
).15.
Y.
Kato
, Y.
Saito
, H.
Yoda
, T.
Inokuchi
, S.
Shirotori
, N.
Shimomura
, S.
Oikawa
, A.
Tiwari
, M.
Ishikawa
, M.
Shimizu
, B.
Altansargai
, H.
Sugiyama
, K.
Koi
, Y.
Ohsawa
, and A.
Kurobe
, Phys. Rev. Appl.
10
, 044011
(2018
).16.
H.
Honjo
, T. V. A.
Nguen
, T.
Watanabe
, T.
Nasuno
, C.
Zhang
, T.
Tanigawa
, S.
Miura
, H.
Inoue
, M.
Niwa
, T.
Yoshiduka
, Y.
Noguchi
, M.
Yasuhira
, A.
Tamakoshi
, M.
Natsui
, Y.
Ma
, H.
Koike
, Y.
Takahashi
, K.
Furuya
, H.
Shen
, S.
Fukami
, H.
Sato
, S.
Ikeda
, T.
Hanyu
, H.
Ohno
, and T.
Endoh
, in International Electron Device Meeting,Technical Digest
(2019
), Vol. 28, p. 5
.17.
Y.
Saito
, N.
Tezuka
, S.
Ikeda
, H.
Sato
, and T.
Endoh
, Appl. Phys. Exp.
12
, 053008
(2019
).18.
Y.
Saito
, N.
Tezuka
, S.
Ikeda
, H.
Sato
, and T.
Endoh
, AIP. Adv.
9
, 125312
(2019
).19.
J.
Liu
, T.
Ohkubo
, S.
Mitani
, K.
Hono
, and M.
Hayashi
, Appl. Phys. Lett.
107
, 232408
(2015
).20.
C.-F.
Pai
, L.
Liu
, Y.
Li
, H. W.
Tseng
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Appl. Phys. Lett.
101
, 122404
(2012
).21.
A.
Ganguly
, K.
Kondou
, H.
Sukegawa
, S.
Mitani
, S.
Kasai
, Y.
Niimi
, Y.
Otani
, and A.
Barman
, Appl. Phys. Lett.
104
, 072405
(2014
).22.
Y.
Wang
, P.
Deorani
, X.
Qiu
, J. H.
Kwon
, and H.
Yang
, Appl. Phys. Lett.
105
, 152412
(2014
).23.
J.
Kim
, P.
Sheng
, S.
Takahashi
, S.
Mitani
, and M.
Hayashi
, Phys. Rev. Lett.
116
, 097201
(2016
).24.
C.
Zhang
, S.
Fukami
, K.
Watanabe
, A.
Ohkawara
, S.
DuttaGupta
, H.
Sato
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Appl. Phys. Lett.
109
, 192405
(2016
).25.
L.
Wang
, R. J. H.
Wesselink
, Y.
Liu
, Z.
Yuan
, K.
Xia
, and P. J.
Kelly
, Phys. Rev. Lett.
116
, 196602
(2016
).26.
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
).27.
M. I.
Dyakonov
, Phys. Rev. Lett.
99
, 126601
(2007
).28.
S.
Velez
, V. N.
Golovach
, A.
Bedoya-Pinto
, M.
Isasa
, E.
Sagasta
, M.
Abadia
, C.
Rogero
, L. E.
Hueso
, F. S.
Bergeret
, and F.
Casanova
, Phys. Rev. Lett.
116
, 016603
(2016
).29.
V. P.
Amin
and M. D.
Stiles
, Phys. Rev. B
94
, 104420
(2016
).© 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.
