Spin–orbit torque and Dzyaloshinskii–Moriya interaction are systematically investigated in perpendicularly magnetized [Ni-Co]2/Ir heterostructures. From the thickness study, the spin Hall angle θSH and spin diffusion length lsd of Ir are determined to be θSH ≈ 0.005 and lsd ≈1.2 nm. Remarkably, it is found that by taking advantage of the low resistivity of Ir, the Ir-based device consumes less power for spin–orbit torque-driven magnetization switching compared to the one based on Pt or Ta. Furthermore, the Dzyaloshinskii–Moriya interaction field and coefficient D at the [Ni-Co]2/Ir interface are determined to be 174 Oe and 0.82 mJ m−2. This study suggests Ir as an advantageous material for ultralow-power and high-density spin–orbit torque memory and logic devices.

1.
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
(
7359
),
189
(
2011
).
2.
L.
Liu
,
O. J.
Lee
,
T. J.
Gudmundsen
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
109
(
9
),
096602
(
2012
).
3.
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S.-M.
Ahn
,
E.
Martinez
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
12
,
611
(
2013
).
4.
P. P. J.
Haazen
,
E.
Murè
,
J. H.
Franken
,
R.
Lavrijsen
,
H. J. M.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Mater.
12
,
299
(
2013
).
5.
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.
te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Science
349
(
6245
),
283
(
2015
).
6.
X.
Qiu
,
Z.
Shi
,
W.
Fan
,
S.
Zhou
, and
H.
Yang
,
Adv. Mater.
30
(
17
),
1705699
(
2018
).
7.
C. O.
Avci
,
A.
Quindeau
,
C.-F.
Pai
,
M.
Mann
,
L.
Caretta
,
A. S.
Tang
,
M. C.
Onbasli
,
C. A.
Ross
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
16
,
309
(
2017
).
8.
L.
Liu
,
C. F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
(
6081
),
555
(
2012
).
9.
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
S.
Mitani
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
12
(
3
),
240
(
2013
).
10.
Q.
Hao
and
G.
Xiao
,
Phys. Rev. Appl.
3
(
3
),
034009
(
2015
).
11.
C.-F.
Pai
,
M.
Mann
,
A. J.
Tan
, and
G. S. D.
Beach
,
Phys. Rev. B
93
(
14
),
144409
(
2016
).
12.
R.
Ramaswamy
,
X.
Qiu
,
T.
Dutta
,
S. D.
Pollard
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
108
(
20
),
202406
(
2016
).
13.
K.-S.
Ryu
,
L.
Thomas
,
S.-H.
Yang
, and
S.
Parkin
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
527
(
2013
).
14.
A. R.
Mellnik
,
J. S.
Lee
,
A.
Richardella
,
J. L.
Grab
,
P. J.
Mintun
,
M. H.
Fischer
,
A.
Vaezi
,
A.
Manchon
,
E. A.
Kim
,
N.
Samarth
, and
D. C.
Ralph
,
Nature
511
(
7510
),
449
(
2014
).
15.
J.
Yu
,
X.
Qiu
,
Y.
Wu
,
J.
Yoon
,
P.
Deorani
,
J. M.
Besbas
,
A.
Manchon
, and
H.
Yang
,
Sci. Rep.
6
(
1
),
32629
(
2016
).
16.
C.-F.
Pai
,
L.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
(
12
),
122404
(
2012
).
17.
L.
Liu
,
T.
Moriyama
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
106
(
3
),
036601
(
2011
).
18.
M.
Tang
,
R.
Ramaswamy
,
H.
Yang
,
H.
Yang
,
W.
Fan
,
Z.
Shi
,
S.
Zhou
, and
X.
Qiu
,
Appl. Phys. Lett.
113
(
22
),
222406
(
2018
).
19.
M.-H.
Nguyen
,
M.
Zhao
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
108
(
24
),
242407
(
2016
).
20.
L.
Zhu
,
K.
Sobotkiewich
,
X.
Ma
,
X.
Li
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Adv. Funct. Mater.
29
(
16
),
1805822
(
2019
).
21.
Y.
Ishikuro
,
M.
Kawaguchi
,
N.
Kato
,
Y.-C.
Lau
, and
M.
Hayashi
,
Phys. Rev. B
99
(
13
),
134421
(
2019
).
22.
Y.
Liu
,
B.
Zhou
, and
J.-G.
Zhu
,
Sci. Rep.
9
(
1
),
325
(
2019
).
23.
X.
Ma
,
G.
Yu
,
S. A.
Razavi
,
S. S.
Sasaki
,
X.
Li
,
K.
Hao
,
S. H.
Tolbert
,
K. L.
Wang
, and
X.
Li
,
Phys. Rev. Lett.
119
(
2
),
027202
(
2017
).
24.
X.
Ma
,
G.
Yu
,
C.
Tang
,
X.
Li
,
C.
He
,
J.
Shi
,
K. L.
Wang
, and
X.
Li
,
Phys. Rev. Lett.
120
(
15
),
157204
(
2018
).
25.
P. M.
Shepley
,
H.
Tunnicliffe
,
K.
Shahbazi
,
G.
Burnell
, and
T. A.
Moore
,
Phys. Rev. B
97
(
13
),
134417
(
2018
).
26.
W.
Zhang
,
M. B.
Jungfleisch
,
W.
Jiang
,
J. E.
Pearson
,
A.
Hoffmann
,
F.
Freimuth
, and
Y.
Mokrousov
,
Phys. Rev. Lett.
113
(
19
),
196602
(
2014
).
27.
W.
Zhang
,
W.
Han
,
S.-H.
Yang
,
Y.
Sun
,
Y.
Zhang
,
B.
Yan
, and
S. S. P.
Parkin
,
Sci. Adv.
2
(
9
),
e1600759
(
2016
).
28.
Y.-C.
Lau
,
D.
Betto
,
K.
Rode
,
J. M. D.
Coey
, and
P.
Stamenov
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
9
),
758
(
2016
).
29.
H.
Chen
,
Q.
Niu
, and
A. H.
MacDonald
,
Phys. Rev. Lett.
112
(
1
),
017205
(
2014
).
30.
J.
Zhou
,
H.
Zhou
,
A.
Bournel
, and
W.
Zhao
,
Sci. China Phys., Mech. Astron.
63
(
1
),
217511
(
2020
).
31.
X.
Qiu
,
P.
Deorani
,
K.
Narayanapillai
,
K.-S.
Lee
,
K.-J.
Lee
,
H.-W.
Lee
, and
H.
Yang
,
Sci. Rep.
4
,
4491
(
2014
).
32.
P.
He
,
X. P.
Qiu
,
V. L.
Zhang
,
Y.
Wu
,
M. H.
Kuok
, and
H.
Yang
,
Adv. Electron. Mater.
2
(
9
),
1600210
(
2016
).
33.
L.
Ma
,
L.
Lang
,
J.
Kim
,
Z.
Yuan
,
R.
Wu
,
S.
Zhou
, and
X.
Qiu
,
Phys. Rev. B
98
(
22
),
224424
(
2018
).
34.
F.
Oboril
,
R.
Bishnoi
,
M.
Ebrahimi
, and
M. B.
Tahoori
,
IEEE Trans. Comput.-Aided Des. Integr. Circuits Syst.
34
(
3
),
367
(
2015
).
35.
Y.
Seo
and
K.
Roy
,
IEEE Trans. Very Large Scale Integr. (VLSI) Syst.
26
(
8
),
1600
(
2018
).
36.
G.
Zahnd
,
L.
Vila
,
V. T.
Pham
,
M.
Cosset-Cheneau
,
W.
Lim
,
A.
Brenac
,
P.
Laczkowski
,
A.
Marty
, and
J. P.
Attané
,
Phys. Rev. B
98
(
17
),
174414
(
2018
).
37.
G.
Chen
,
T.
Ma
,
A. T.
N'Diaye
,
H.
Kwon
,
C.
Won
,
Y.
Wu
, and
A. K.
Schmid
,
Nat. Commun.
4
(
1
),
2671
(
2013
).
38.
A.
Hrabec
,
N. A.
Porter
,
A.
Wells
,
M. J.
Benitez
,
G.
Burnell
,
S.
McVitie
,
D.
McGrouther
,
T. A.
Moore
, and
C. H.
Marrows
,
Phys. Rev. B
90
(
2
),
020402
(
2014
).
39.
M.
Belmeguenai
,
Y.
Roussigné
,
H.
Bouloussa
,
S. M.
Chérif
,
A.
Stashkevich
,
M.
Nasui
,
M. S.
Gabor
,
A.
Mora-Hernández
,
B.
Nicholson
,
O. O.
Inyang
,
A. T.
Hindmarch
, and
L.
Bouchenoire
,
Phys. Rev. Appl.
9
(
4
),
044044
(
2018
).
40.
N.-H.
Kim
,
J.
Jung
,
J.
Cho
,
D.-S.
Han
,
Y.
Yin
,
J.-S.
Kim
,
H. J. M.
Swagten
, and
C.-Y.
You
,
Appl. Phys. Lett.
108
(
14
),
142406
(
2016
).
41.
A.
Belabbes
,
G.
Bihlmayer
,
F.
Bechstedt
,
S.
Blügel
, and
A.
Manchon
,
Phys. Rev. Lett.
117
(
24
),
247202
(
2016
).
42.
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
(
10
),
104421
(
2014
).
You do not currently have access to this content.