We present a field-free spin–orbit torque magnetic random access memory (SOT-MRAM) element using an in-plane ferromagnet (FL1)/coupling layer/perpendicular ferromagnet (FL2) as a composite free layer. By using micromagnetic simulations, we investigate the magnetic switching of the composite free layer in different conditions. Leveraging on interlayer exchange coupling, a field-free and efficient spin–orbit torque-induced reversal of perpendicular magnetization is realized, which can reduce the switching current density of SOT-MRAM. When the current density is increased to a certain value, the oscillations of magnetization are observed. Furthermore, by adjusting the magnetic anisotropy of FL1 and FL2, multilevel magnetization states can be achieved by varying the amplitude of the writing current. This work paves the way toward practical spin–orbit torque-based memory, oscillating, and logic devices.

1.
B.
Chen
,
J.
Lourembam
,
S.
Goolaup
, and
S. T.
Lim
,
Appl. Phys. Lett.
114
(
2
),
022401
(
2019
).
2.
J.
Wang
,
X.
Zhang
,
X.
Lu
,
J.
Zhang
,
Y.
Yan
,
H.
Ling
,
J.
Wu
,
Y.
Zhou
, and
Y.
Xu
,
Appl. Phys. Lett.
111
(
7
),
072401
(
2017
).
3.
A.
van den Brink
,
S.
Cosemans
,
S.
Cornelissen
,
M.
Manfrini
,
A.
Vaysset
,
W.
Van Roy
,
T.
Min
,
H. J. M.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Appl. Phys. Lett.
104
(
1
),
012403
(
2014
).
4.
W. J.
Kong
,
C. H.
Wan
,
C. Y.
Guo
,
C.
Fang
,
B. S.
Tao
,
X.
Wang
, and
X. F.
Han
,
Appl. Phys. Lett.
116
(
16
),
162401
(
2020
).
5.
S.
Fukami
,
T.
Anekawa
,
C.
Zhang
, and
H.
Ohno
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
7
),
621
625
(
2016
).
6.
D.
Zhu
and
W.
Zhao
,
Phys. Rev. Appl.
13
(
4
),
044078
(
2020
).
7.
X. P.
Qiu
,
W.
Legrand
,
P.
He
,
Y.
Wu
,
J.
Yu
,
R.
Ramaswamy
,
A.
Manchon
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
217206
(
2016
).
8.
X.
Li
,
A.
Kang
,
Z.
Liu
, and
Y.
Zhou
,
Appl. Phys. Lett.
114
(
1
),
012403
(
2019
).
9.
L.
You
,
O.
Lee
,
D.
Bhowmik
,
D.
Labanowski
,
J.
Hong
,
J.
Bokor
, and
S.
Salahuddin
,
Proc. Natl. Acad. U. S. A.
112
(
33
),
10310
10315
(
2015
).
10.
M.
Akyol
,
G.
Yu
,
J. G.
Alzate
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Li
,
K. L.
Wong
,
A.
Ekicibil
,
P.
Khalili Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
106
(
16
),
162409
(
2015
).
11.
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
(
7
),
548
554
(
2014
).
12.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
DuttaGupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
(
5
),
535
541
(
2016
).
13.
Y. W.
Oh
,
S. H.
Chris 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
(
10
),
878
884
(
2016
).
14.
Y. C.
Lau
,
D.
Betto
,
K.
Rode
,
J. M.
Coey
, and
P.
Stamenov
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
9
),
758
762
(
2016
).
15.
Z.
Zhao
,
A. K.
Smith
,
M.
Jamali
, and
J. P.
Wang
,
Adv. Electron. Mater.
6
(
5
),
1901368
(
2020
).
16.
W. J.
Kong
,
C. H.
Wan
,
X.
Wang
,
B. S.
Tao
,
L.
Huang
,
C.
Fang
,
C. Y.
Guo
,
Y.
Guang
,
M.
Irfan
, and
X. F.
Han
,
Nat. Commun.
10
(
1
),
233
(
2019
).
17.
S.
Lazarski
,
W.
Skowronski
,
J.
Kanak
,
L.
Karwacki
,
S.
Zietek
,
K.
Grochot
,
T.
Stobiecki
, and
F.
Stobiecki
,
Phys. Rev. Appl.
12
(
1
),
014006
(
2019
).
18.
Y.
Liu
,
B.
Zhou
, and
J. J.
Zhu
,
Sci. Rep.
9
(
1
),
325
(
2019
).
19.
Y. C.
Lau
,
Z.
Chi
,
T.
Taniguchi
,
M.
Kawaguchi
,
G.
Shibata
,
N.
Kawamura
,
M.
Suzuki
,
S.
Fukami
,
A.
Fujimori
,
H.
Ohno
, and
M.
Hayashi
,
Phys. Rev. Mater.
3
(
10
),
104419
(
2019
).
20.
Z. A.
Bekele
,
X.
Lan
,
K.
Meng
, and
X.
Liu
,
J. Appl. Phys.
127
(
11
),
11392
(
2020
).
21.
H.
Wu
,
S. A.
Razavi
,
Q.
Shao
,
X.
Li
,
K. L.
Wong
,
Y.
Liu
,
G.
Yin
, and
K. L.
Wang
,
Phys. Rev. B
99
(
18
),
184403
(
2019
).
22.
Y.
Sheng
,
K. W.
Edmonds
,
X.
Ma
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Adv. Electron. Mater.
4
(
9
),
1800224
(
2018
).
23.
X.
Zhao
,
L.
Ji
,
W.
Liu
,
S.
Li
,
L.
Liu
,
Y.
Song
,
Y.
Li
,
J.
Ma
,
X.
Sun
,
H.
Wang
,
X.
Zhao
, and
Z.
Zhang
,
Phys. Rev. Appl.
13
(
4
),
044074
(
2020
).
24.
H.
Masuda
,
T.
Seki
,
Y. C.
Lau
,
T.
Kubota
, and
K.
Takanashi
,
Phys. Rev. B
101
(
22
),
224413
(
2020
).
25.
Y.
Cao
,
A. W.
Rushforth
,
Y.
Sheng
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Adv. Funct. Mater.
29
(
25
),
1808104
(
2019
).
26.
W.
Chen
,
L.
Qian
, and
G.
Xiao
,
AIP. Adv.
8
(
5
),
055918
(
2018
).
27.
R. A.
Khan
,
H. T.
Nembach
,
M.
Ali
,
J. M.
Shaw
,
C. H.
Marrows
, and
T. A.
Moore
,
Phys. Rev. B
98
(
6
),
064413
(
2018
).
28.
K.
Yakushiji
,
A.
Sugihara
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
, and
S.
Yuasa
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
092406
(
2017
).
29.
X.
Zhang
,
Y.
Zhang
, and
J. W.
Cai
,
J. Appl. Phys.
118
(
14
),
143903
(
2015
).
30.
C. W.
Cheng
,
T. I.
Cheng
,
C. H.
Shiue
,
C. L.
Weng
,
Y. C.
Tsai
, and
G.
Chern
,
IEEE Trans. Magn.
49
(
7
),
4433
4436
(
2013
).
31.
L.
Liu
,
C. F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
(
6081
),
555
558
(
2012
).
32.
M. J.
Donahue
and
M.
Donahue
,
OOMMF User's Guide, Version 1.0
(
US Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology
,
1999
).
33.
D.
Kirk
,
A.
Kohn
,
K. B.
Borisenko
,
C.
Lang
,
J.
Schmalhorst
,
G.
Reiss
, and
D. J. H.
Cockayne
,
Phys. Rev. B
79
(
1
),
014203
(
2009
).
34.
A.
Kaidatzis
,
C.
Bran
,
V.
Psycharis
,
M.
Vázquez
,
J. M.
García-Martín
, and
D.
Niarchos
,
Appl. Phys. Lett.
106
(
26
),
262401
(
2015
).
35.
S.
Srivastava
,
A. P.
Chen
,
T.
Dutta
,
R.
Ramaswamy
,
J.
Son
,
M. S. M.
Saifullah
,
K.
Yamane
,
K.
Lee
,
K. L.
Teo
,
Y. P.
Feng
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. Appl.
10
(
2
),
024031
(
2018
).
36.
Q.
Xie
,
W.
Lin
,
B.
Yang
,
X.
Shu
,
S.
Chen
,
L.
Liu
,
X.
Yu
,
M. B. H.
Breese
,
T.
Zhou
,
M.
Yang
,
Z.
Zhang
,
S.
Wang
,
H.
Yang
,
J.
Chai
,
X.
Han
, and
J.
Chen
,
Adv. Mater.
31
(
21
),
1900776
(
2019
).
37.
A.
Ghosh
,
S.
Auffret
,
U.
Ebels
, and
W. E.
Bailey
,
Phys. Rev. Lett.
109
(
12
),
127202
(
2012
).
38.
T.
Nagasawa
,
K.
Kudo
,
H.
Suto
,
K.
Mizushima
, and
R.
Sato
,
Appl. Phys. Lett.
105
(
18
),
182406
(
2014
).
39.
A.
Chen
,
Y.
Zhao
,
Y.
Wen
,
L.
Pan
,
P.
Li
, and
X. X.
Zhang
,
Sci. Adv.
5
,
eaay5141
(
2019
).
40.
B. B.
Cui
,
J. H.
Tang
,
J.
Yao
, and
Y. W.
Zhong
,
Angew. Chem
54
(
32
),
9192
9197
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.