Antiferromagnet (AFM)/ferromagnet (FM) systems such as IrMn/CoFeB/MgO enable spin–orbit-torque- (SOT-) induced switching of perpendicular magnetization in the absence of an external magnetic field. However, the low thermal stability, weak perpendicular magnetic anisotropy (PMA), and indistinctive SOT of these AFM/FM heterostructures pose challenges to the practical application. Here, through the insertion of a thin W layer between the IrMn and CoFeB layers, we show that much larger effective PMA fields are obtained with annealing stability to 300 °C, which is guaranteed by the prevention of Mn diffusion via W insertion as shown in spherical aberration corrected transmission electron microscopy and atomic-resolution electron energy-loss spectroscopy measurement results. Furthermore, the spin–orbit torque is effectively tuned by changing the W layer thickness via modulation of the interfacial spin–orbit coupling at IrMn/W/CoFeB interfaces, which was reported to degrade the interface spin transparency for the spin currents. Finally, field-free magnetization switching was achieved with comparable exchange bias fields to samples without W insertion. This work demonstrates an effective strategy for improving the performance of the thermally robust AFM-based SOT device.

1.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
(
2012
).
2.
L.
Liu
,
T.
Moriyama
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
036601
(
2011
).
3.
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.
Serkovnyak
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Mater.
13
,
699
(
2014
).
4.
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
).
5.
S.
Fukami
,
T.
Anekawa
,
C.
Zhang
, and
H.
Ohno
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
621
(
2016
).
6.
Q.
Hao
and
G.
Xiao
,
Phys. Rev. Appl.
3
,
034009
(
2015
).
7.
J.
Han
,
A.
Richardella
,
S. A.
Siddiqui
,
J.
Finley
,
N.
Samarth
, and
L.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
077702
(
2017
).
8.
I. M.
Miron
,
G.
Gaudin
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Mater.
9
,
230
(
2010
).
9.
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
).
10.
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
).
11.
G.
Yu
,
L.
Te Chang
,
M.
Akyol
,
P.
Upadhyaya
,
C.
He
,
X.
Li
,
K. L.
Wong
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
102411
(
2014
).
12.
G.
Yu
,
M.
Akyol
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Li
,
C.
He
,
Y.
Fan
,
M.
Montazeri
,
J. G.
Alzate
,
M.
Lang
,
K. L.
Wong
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Sci. Rep.
6
,
23956
(
2016
).
13.
Y. C.
Lau
,
D.
Betto
,
K.
Rode
,
J. M. D.
Coey
, and
P.
Stamenov
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
758
(
2016
).
14.
L.
You
,
O. J.
Lee
,
D.
Bhowmik
,
D.
Labanowski
,
J.
Hong
,
J.
Bokor
, and
S.
Salahuddin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
10310
(
2015
).
15.
A.
Razavi
,
H.
Wu
,
Q.
Shao
,
C.
Fang
,
B.
Dai
,
K.
Wong
,
X.
Han
,
G.
Yu
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
20
,
3703
(
2020
).
16.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
Duttagupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
,
535
(
2016
).
17.
Y. W.
Oh
,
S. H. 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
).
18.
A.
Van Den Brink
,
G.
Vermijs
,
A.
Solignac
,
J.
Koo
,
J. T.
Kohlhepp
,
H. J. M.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Commun.
7
,
10854
(
2016
).
19.
S.
Ikeda
,
J.
Hayakawa
,
Y.
Ashizawa
,
Y. M.
Lee
,
K.
Miura
,
H.
Hasegawa
,
M.
Tsunoda
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
082508
(
2008
).
20.
L. M.
Loong
,
W.
Lee
,
X.
Qiu
,
P.
Yang
,
H.
Kawai
,
M.
Saeys
,
J. H.
Ahn
, and
H.
Yang
,
Adv. Mater.
28
,
4983
(
2016
).
21.
S. A.
Razavi
,
D.
Wu
,
G.
Yu
,
Y. C.
Lau
,
K. L.
Wong
,
W.
Zhu
,
C.
He
,
Z.
Zhang
,
J. M. D.
Coey
,
P.
Stamenov
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Phys. Rev. Appl.
7
,
024023
(
2017
).
22.
S. Z.
Peng
,
J. Q.
Lu
,
W. X.
Li
,
L. Z.
Wang
,
H.
Zhang
,
X.
Li
,
K. L.
Wang
, and
W. S.
Zhao
, in
International Electron Devices Meeting (IEDM 2019)
(
2019
), p.
661
.
23.
J.
Jeong
,
Y.
Ferrante
,
S. V.
Faleev
,
M. G.
Samant
,
C.
Felser
, and
S. S. P.
Parkin
,
Nat. Commun.
7
,
10276
(
2016
).
24.
A.
Maesaka
,
N.
Sugawara
,
A.
Okabe
, and
M.
Itabashi
, “
Influence of microstructure on thermal stability of spin-valve multilayers
,”
J. Appl. Phys.
83
,
7628
(
1998
).
25.
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
).
26.
L.
Zhu
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
077201
(
2019
).
27.
M. T.
Rahman
,
A.
Lyle
,
P.
Khalili Amiri
,
J.
Harms
,
B.
Glass
,
H.
Zhao
,
G.
Rowlands
,
J. A.
Katine
,
J.
Langer
,
I. N.
Krivorotov
,
K. L.
Wang
, and
J. P.
Wang
,
J. Appl. Phys.
111
,
07C907
(
2012
).
28.
F. J. A.
Den Broeder
,
D.
Kuiper
,
A. P.
Van De Mosselaer
, and
W.
Hoving
,
Phys. Rev. Lett.
60
,
2769
(
1988
).
29.
R.
Senga
and
K.
Suenaga
,
Nat. Commun.
6
,
7943
(
2015
).
30.
M.
Wang
,
W.
Cai
,
K.
Cao
,
J.
Zhou
,
J.
Wrona
,
S.
Peng
,
H.
Yang
,
J.
Wei
,
W.
Kang
,
Y.
Zhang
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
A.
Fert
, and
W.
Zhao
,
Nat. Commun.
9
,
671
(
2018
).
31.
G. G.
An
,
J.
Bin Lee
,
S. M.
Yang
,
J. H.
Kim
,
W. S.
Chung
, and
J. P.
Hong
,
Acta Mater.
87
,
259
(
2015
).
32.
J. H.
Kim
,
J.
Bin Lee
,
G. G.
An
,
S. M.
Yang
,
W. S.
Chung
,
H. S.
Park
, and
J. P.
Hong
,
Sci. Rep.
5
,
16903
(
2015
).
33.
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
S.
Mitani
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
12
,
240
(
2013
).
34.
C. F.
Pai
,
L.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122404
(
2012
).
35.
J.
Sinova
,
S. O.
Valenzuela
,
J.
Wunderlich
,
C. H.
Back
, and
T.
Jungwirth
,
Rev. Mod. Phys.
87
,
1213
(
2015
).
36.
C.
He
,
S. A.
Razavi
,
G.
Yu
,
X.
Ma
,
H.
Wu
,
Q.
Shao
,
K. L.
Wong
,
S.
Shen
,
Y.
Zhao
,
Y.
Pei
,
Q.
Chen
,
X.
Li
,
S.
Wang
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
242407
(
2020
).
37.
Y.
Takeuchi
,
C.
Zhang
,
A.
Okada
,
H.
Sato
,
S.
Fukami
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
192408
(
2018
).
38.
S.
Peng
,
M.
Wang
,
H.
Yang
,
L.
Zeng
,
J.
Nan
,
J.
Zhou
,
Y.
Zhang
,
A.
Hallal
,
M.
Chshiev
,
K. L.
Wang
,
Q.
Zhang
, and
W.
Zhao
,
Sci. Rep.
5
,
18173
(
2015
).
39.
N.
Nakajima
,
T.
Koide
,
T.
Shidara
,
H.
Miyauchi
,
H.
Fukutani
,
A.
Fujimori
,
K.
Iio
,
T.
Katayama
,
M.
Nyvlt
, and
Y.
Suzuki
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
5229
(
1998
).
40.
M.
Suzuki
,
H.
Muraoka
,
Y.
Inaba
,
H.
Miyagawa
,
N.
Kawamura
,
T.
Shimatsu
,
H.
Maruyama
,
N.
Ishimatsu
,
Y.
Isohama
, and
Y.
Sonobe
,
Phys. Rev. B
72
,
054430
(
2005
).
41.
K.
Chen
and
S.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
126602
(
2015
).
42.
J.
Borge
and
I. V.
Tokatly
,
Phys. Rev. B
96
,
115445
(
2017
).
43.
K.
Dolui
and
B. K.
Nikolić
,
Phys. Rev. B
96
,
220403
(
2017
).
44.
A.
Manchon
,
H. C.
Koo
,
J.
Nitta
,
S. M.
Frolov
, and
R. A.
Duine
,
Nat. Mater.
14
,
871
(
2015
).
45.
D.
Tiwari
,
N.
Behera
,
A.
Kumar
,
P.
Dürrenfeld
,
S.
Chaudhary
,
D. K.
Pandya
,
J.
Åkerman
, and
P. K.
Muduli
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
232407
(
2017
).
46.
A.
Manchon
,
J.
Železný
,
I. M.
Miron
,
T.
Jungwirth
,
J.
Sinova
,
A.
Thiaville
,
K.
Garello
, and
P.
Gambardella
,
Rev. Mod. Phys.
91
,
035004
(
2019
).
47.
X.
Qiu
,
W.
Legrand
,
P.
He
,
Y.
Wu
,
J.
Yu
,
R.
Ramaswamy
,
A.
Manchon
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
217206
(
2016
).
48.
C.
Sun
,
Z.
Bin Siu
,
S. G.
Tan
,
H.
Yang
, and
M. B. A.
Jalil
,
J. Appl. Phys.
123
,
153901
(
2018
).
49.
N. J.
Gökemeijer
,
T.
Ambrose
,
C. L.
Chien
,
N.
Wang
, and
K. K.
Fung
,
J. Appl. Phys.
81
,
4999
(
1997
).
50.
S. J.
Joo
,
D. H.
Hong
, and
T. D.
Lee
,
J. Appl. Phys.
95
,
7522
(
2004
).
You do not currently have access to this content.