Deterministic magnetization switching driven by current-induced spin–orbit torque (SOT) without an external magnetic field has potential applications in magnetic random access memory. Here, we realized the field-free magnetization switching in a T-type structure (CoFeB/W/CoFeB), where the two CoFeB layers have perpendicular magnetic anisotropy and in-plane magnetic anisotropy (IMA), respectively. We discovered that the direction of symmetry-breaking field is parallel to the magnetization of the bottom CoFeB (IMA), which cannot be explained by a stray field of this layer. In addition, by placing a 2.5-nm thick insulating layer of MgO between the bottom CoFeB and W layer (CoFeB/MgO/W/CoFeB) to block the interlayer exchange coupling and the spin current from the bottom CoFeB, the field-free SOT switching was still achieved, primarily due to the Néel orange-peel effect in our devices. By using micromagnetic simulations, the roughness of angstrom magnitude was introduced into the model to calculate the symmetry-breaking field, finding a qualitative agreement with experiments. Moreover, we obtained the spin Hall angle of CoFeB (θSH = −0.024) by the current-induced hysteresis loop shift method, and the contribution of the effective efficiency χ from the bottom CoFeB was accounted for about 26% of the total in the current-induced SOT switching process. These results indicated that an in-plane ferromagnet layer in the T-type structure provides not only the symmetry-breaking field but also spin current for the field-free SOT magnetization switching.

1.
K.
Garello
,
F.
Yasin
,
H.
Hody
,
S.
Couet
,
L.
Souriau
,
S. H.
Sharifi
,
J.
Swerts
,
R.
Carpenter
,
S.
Rao
,
W.
Kim
,
J.
Wu
,
K. K. V.
Sethu
,
M.
Pak
,
N.
Jossart
,
D.
Crotti
,
A.
Furnémont
, and
G. S.
Kar
, in
IEEE Symposium on VLSI Circuit
(
IEEE
,
Kyoto
,
2019
), pp.
T194
T195
.
2.
K.
Garello
,
F.
Yasin
, and
G. S.
Kar
, in
2019 IEEE 11th International Memory Workshop (IMW)
(
IEEE
,
2019
), pp.
1
4
.
3.
L.
Liu
,
O. J.
Lee
,
T. J.
Gudmundsen
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
096602
(
2012
).
4.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
(
2012
).
5.
X.
Zhang
,
C. H.
Wan
,
Z. H.
Yuan
,
Q. T.
Zhang
,
H.
Wu
,
L.
Huang
,
W. J.
Kong
,
C.
Fang
,
U.
Khan
, and
X. F.
Han
,
Phys. Rev. B
94
,
174434
(
2016
).
6.
C.
Wan
,
X.
Zhang
,
Z.
Yuan
,
C.
Fang
,
W.
Kong
,
Q.
Zhang
,
H.
Wu
,
U.
Khan
, and
X.
Han
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1600282
(
2017
).
7.
W. L.
Yang
,
C. H.
Wan
,
Z. R.
Yan
,
X.
Zhang
,
M. E.
Stebliy
,
X.
Wang
,
C.
Fang
,
C. Y.
Guo
,
Y. W.
Xing
,
T. Y.
Ma
,
A. V.
Ognev
,
A. S.
Samardak
,
M.-J.
Tung
,
G. Q.
Yu
, and
X. F.
Han
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
024052
(
2020
).
8.
A.
Chernyshov
,
M.
Overby
,
X.
Liu
,
J. K.
Furdyna
,
Y.
Lyanda-Geller
, and
L. P.
Rokhinson
,
Nat. Phys.
5
,
656
659
(
2009
).
9.
I. M.
Miron
,
T.
Moore
,
H.
Szambolics
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
,
M.
Bonfim
,
A.
Schuhl
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Mater.
10
,
419
423
(
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.
A.
Razavi
,
H.
Wu
,
Q.
Shao
,
C.
Fang
,
B.
Dai
,
K.
Wong
,
X.
Han
,
G.
Yu
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
20
,
3703
3709
(
2020
).
12.
L.
You
,
O.
Lee
,
D.
Bhowmik
,
D.
Labanowski
,
J.
Hong
,
J.
Bokor
, and
S.
Salahuddin
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
112
,
10310
(
2015
).
13.
J. M.
Lee
,
K.
Cai
,
G.
Yang
,
Y.
Liu
,
R.
Ramaswamy
,
P.
He
, and
H.
Yang
,
Nano Lett.
18
,
4669
4674
(
2018
).
14.
Y.
Cao
,
Y.
Sheng
,
K. W.
Edmonds
,
Y.
Ji
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Adv. Mater.
32
,
1907929
(
2020
).
15.
K.
Cai
,
M.
Yang
,
H.
Ju
,
S.
Wang
,
Y.
Ji
,
B.
Li
,
K. W.
Edmonds
,
Y.
Sheng
,
B.
Zhang
,
N.
Zhang
,
S.
Liu
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Nat. Mater.
16
,
712
716
(
2017
).
16.
Q.
Ma
,
Y.
Li
,
D. B.
Gopman
,
Y. P.
Kabanov
,
R. D.
Shull
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
117703
(
2018
).
17.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
DuttaGupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
,
535
(
2016
).
18.
W. J.
Kong
,
Y. R.
Ji
,
X.
Zhang
,
H.
Wu
,
Q. T.
Zhang
,
Z. H.
Yuan
,
C. H.
Wan
,
X. F.
Han
,
T.
Yu
,
K.
Fukuda
,
H.
Naganuma
, and
M.-J.
Tung
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
132402
(
2016
).
19.
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
,
878
(
2016
).
20.
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
).
21.
D. C.
Mahendra
,
D. F.
Shao
,
V. D. H.
Hou
,
P.
Quarterman
,
A.
Habiboglu
,
B.
Venuti
,
M.
Miura
,
B.
Kirby
,
A.
Vailionis
,
C.
Bi
,
X.
Li
,
F.
Xue
,
Y. L.
Huang
,
Y.
Deng
,
S. J.
Lin
,
W.
Tsai
,
S.
Eley
,
W.
Wang
,
J. A.
Borchers
,
E. Y.
Tsymbal
, and
S. X.
Wang
, arXiv:2012.09315 (
2020
).
22.
D.
MacNeill
,
G. M.
Stiehl
,
M. H. D.
Guimaraes
,
R. A.
Buhrman
,
J.
Park
, and
D. C.
Ralph
,
Nat. Phys.
13
,
300
(
2017
).
23.
L.
Liu
,
C.
Zhou
,
X.
Shu
,
C.
Li
,
T.
Zhao
,
W.
Lin
,
J.
Deng
,
Q.
Xie
,
S.
Chen
,
J.
Zhou
,
R.
Guo
,
H.
Wang
,
J.
Yu
,
S.
Shi
,
P.
Yang
,
S.
Pennycook
,
A.
Manchon
, and
J.
Chen
,
Nat. Nanotechnol.
16
,
277
282
(
2021
).
24.
Z.
Zhao
,
A. K.
Smith
,
M.
Jamali
, and
J.-P.
Wang
,
Adv. Electron. Mater.
6
,
1901368
(
2020
).
25.
Y.-C.
Lau
,
D.
Betto
,
K.
Rode
,
J. M. D.
Coey
, and
P.
Stamenov
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
758
(
2016
).
26.
X.
Wang
,
C.
Wan
,
W.
Kong
,
X.
Zhang
,
Y.
Xing
,
C.
Fang
,
B.
Tao
,
W.
Yang
,
L.
Huang
,
H.
Wu
,
M.
Irfan
, and
X.
Han
,
Adv. Mater.
30
,
1801318
(
2018
).
27.
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
,
233
(
2019
).
28.
Y.
Sheng
,
K. W.
Edmonds
,
X.
Ma
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1800224
(
2018
).
29.
Y.
Cao
,
A.
Rushforth
,
Y.
Sheng
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1808104
(
2019
).
30.
W. J.
Kong
,
C. H.
Wan
,
C. Y.
Guo
,
C.
Fang
,
B. S.
Tao
,
X.
Wang
, and
X. F.
Han
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
162401
(
2020
).
31.
C. B.
Seung-Heon
,
V. P.
Amin
,
Y.-W.
Oh
,
G.
Go
,
S.-J.
Lee
,
G.-H.
Lee
,
K.-J.
Kim
,
M. D.
Stiles
,
B.-G.
Park
, and
K.-J.
Lee
,
Nat. Mater.
17
,
509
(
2018
).
32.
Y.-W.
Oh
,
J.
Ryu
,
J.
Kang
, and
B.-G.
Park
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1900598
(
2019
).
33.
N.
Murray
,
W.-B.
Liao
,
T.-C.
Wang
,
L.-J.
Chang
,
L.-Z.
Tsai
,
T.-Y.
Tsai
,
S.-F.
Lee
, and
C.-F.
Pai
,
Phys. Rev. B
100
,
104441
(
2019
).
34.
W.
Chen
,
L.
Qian
, and
G.
Xiao
,
Sci. Rep.
8
,
8144
(
2018
).
35.
C. O.
Pauyac
,
M.
Chshiev
,
A.
Manchon
, and
S. A.
Nikolaev
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
176802
(
2018
).
36.
V. P.
Amin
,
J.
Li
,
M. D.
Stiles
, and
P. M.
Haney
,
Phys. Rev. B
99
,
220405
(
2019
).
37.
D.
Tian
,
Y.
Li
,
D.
Qu
,
S. Y.
Huang
,
X.
Jin
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. B
94
,
020403(R)
(
2016
).
38.
W.
Wang
,
T.
Wang
,
V. P.
Amin
,
Y.
Wang
,
A.
Radhakrishnan
,
A.
Davidson
,
S. R.
Allen
,
T. J.
Silva
,
H.
Ohldag
,
D.
Balzar
,
B. L.
Zink
,
P. M.
Haney
,
J. Q.
Xiao
,
D. G.
Cahill
,
V. O.
Lorenz
, and
X.
Fan
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
819
824
(
2019
).
39.
W. L.
Yang
,
J. W.
Wei
,
C. H.
Wan
,
Y. W.
Xing
,
Z. R.
Yan
,
X.
Wang
,
C.
Fang
,
C. Y.
Guo
,
G. Q.
Yu
, and
X. F.
Han
,
Phys. Rev. B
101
,
064412
(
2020
).
40.
H.
Wu
,
S. A.
Razavi
,
Q.
Shao
,
X.
Li
,
K. L.
Wong
,
Y.
Liu
,
G.
Yin
, and
K. L.
Wang
,
Phys. Rev. B
99
,
184403
(
2019
).
41.
K. S.
Das
,
W. Y.
Schoemaker
,
B. J.
van Wees
, and
I. J.
Vera-Marun
,
Phys. Rev. B
96
,
220408(R)
(
2017
).
42.
C.-F.
Pai
,
M.
Mann
,
A. J.
Tan
, and
G. S. D.
Beach
,
Phys. Rev. B
93
,
144409
(
2016
).
43.
W.-B.
Liao
,
T.-Y.
Chen
,
Y.-C.
Hsiao
, and
C.-F.
Pai
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
182402
(
2020
).
44.
H. B. M.
Saidaoui
and
A.
Manchon
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
036601
(
2016
).
45.
H. L.
Wang
,
C. H.
Du
,
Y.
Pu
,
R.
Adur
,
P. C.
Hammel
, and
F. Y.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
197201
(
2014
).
46.
S.
Cho
,
S. H. C.
Baek
,
K. D.
Lee
,
Y.
Jo
, and
B. G.
Park
,
Sci. Rep.
5
,
14668
(
2015
).
47.
Y.-T.
Chen
,
S.
Takahashi
,
H.
Nakayama
,
M.
Althammer
,
S. T. B.
Goennenwein
,
E.
Saitoh
, and
G. E. W.
Bauer
,
Phys. Rev. B
87
,
144411
(
2013
).
48.
B. D.
Schrag
,
A.
Anguelouch
,
S.
Ingvarsson
,
G.
Xiao
,
Y.
Lu
,
P. L.
Trouilloud
,
A.
Gupta
,
R. A.
Wanner
,
W. J.
Gallagher
,
P. M.
Rice
, and
S. S. P.
Parkin
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
2373
2375
(
2000
).
49.
L.
Neel
,
CR Hebd. Seances Acad. Sci.
255
,
1676
(
1962
).
50.
C.
Zhang
,
S.
Fukami
,
H.
Sato
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
012401
(
2015
).
51.
G.
Sala
,
V.
Krizakova
,
E.
Grimaldi
,
C. H.
Lambert
,
T.
Devolder
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Commun.
12
,
656
(
2021
).
52.
Y.
Liu
,
B.
Zhou
,
Z.
Dai
,
E.
Zhang
, and
J.-G.
Zhu
, arXiv:1911.05007 (
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.