Improving the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA) properties are fundamentally important for the development of voltage-controlled magnetoresistive random access memories (VC-MRAM). Recently, we reported on a large increase in PMA at an Fe/MgO interface brought about by inserting an ultrathin LiF layer at the interface. In this paper, we investigate the PMA, VCMA, and TMR properties in MTJs with an Ir-doped ultrathin ferromagnetic layer and a LiF/MgO hybrid tunneling barrier. We observed a clear increase in the interfacial PMA by a factor of 2.5 when an ultrathin 0.25 nm LiF layer was inserted. A large VCMA coefficient, exceeding −300 fJ/Vm, was also achieved while maintaining the high TMR ratio and high interfacial PMA. These results demonstrate the high potential of interface engineering using ultrathin LiF layers for spintronic devices.

1.
M.
Weisheit
,
S.
Fahler
,
A.
Marty
,
Y.
Souche
,
C.
Poinsignon
, and
D.
Givord
,
Science
315
,
349
(
2007
).
2.
D.
Chiba
,
M.
Sawicki
,
Y.
Nishitani
,
Y.
Nakatani
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nature
455
,
515
(
2008
).
3.
T.
Maruyama
,
Y.
Shiota
,
T.
Nozaki
,
K.
Ohta
,
N.
Toda
,
M.
Mizuguchi
 et al,
Nat. Nanotechnol.
4
,
158
(
2009
).
4.
T.
Nozaki
,
Y.
Shiota
,
M.
Shiraishi
,
T.
Shinjo
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
022506
(
2010
).
5.
Y.
Shiota
,
S.
Murakami
,
F.
Bonell
,
T.
Nozaki
,
T.
Shinjo
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Express
4
,
043005
(
2011
).
6.
S.
Yuasa
,
T.
Nagahama
,
A.
Fukushima
,
Y.
Suzuki
, and
K.
Ando
,
Nat. Mater.
3
,
868
(
2004
).
7.
S. S.
Parkin
,
C.
Kaiser
,
A.
Panchula
,
P. M.
Rice
,
B.
Hughes
,
M.
Samant
 et al,
Nat. Mater.
3
,
862
(
2004
).
8.
L.
Reichel
,
S.
Oswald
,
S.
Fähler
,
L.
Schultz
, and
K.
Leistner
,
J. Appl. Phys.
113
,
143904
(
2013
).
9.
F.
Bonell
,
Y. T.
Takahashi
,
D. D.
Lam
,
S.
Yoshida
,
Y.
Shiota
,
S.
Miwa
 et al,
Appl. Phys. Lett.
102
,
152401
(
2013
).
10.
C.
Bi
,
Y.
Liu
,
T.
Newhouse-Illige
,
M.
Xu
,
M.
Rosales
,
J. W.
Freeland
 et al,
Phys. Rev. Lett.
113
,
267202
(
2014
).
11.
G.
Radaelli
,
D.
Petti
,
E.
Plekhanov
,
I.
Fina
,
P.
Torelli
,
B. R.
Salles
 et al,
Nat. Commun.
5
,
3404
(
2014
).
12.
U.
Bauer
,
L.
Yao
,
A. J.
Tan
,
P.
Agrawal
,
S.
Emori
,
H. L.
Tuller
 et al,
Nat. Mater.
14
,
174
(
2015
).
13.
A. J.
Tan
,
M.
Huang
,
C. O.
Avci
,
F.
Buttner
,
M.
Mann
,
W.
Hu
 et al,
Nat. Mater.
18
,
35
(
2019
).
14.
X.
Ye
,
H. K.
Singh
,
H.
Zhang
,
H.
Gesswein
,
M. R.
Chellali
,
R.
Witte
 et al,
Nat. Commun.
11
,
4849
(
2020
).
15.
A.
Rajanikanth
,
T.
Hauet
,
F.
Montaigne
,
S.
Mangin
, and
S.
Andrieu
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
062402
(
2013
).
16.
U.
Bauer
,
M.
Przybylski
,
J.
Kirschner
, and
G. S.
Beach
,
Nano Lett.
12
,
1437
(
2012
).
17.
C. G.
Duan
,
J. P.
Velev
,
R. F.
Sabirianov
,
Z.
Zhu
,
J.
Chu
,
S. S.
Jaswal
 et al,
Phys. Rev. Lett.
101
,
137201
(
2008
).
18.
K.
Nakamura
,
R.
Shimabukuro
,
Y.
Fujiwara
,
T.
Akiyama
,
T.
Ito
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
187201
(
2009
).
19.
M.
Tsujikawa
and
T.
Oda
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
247203
(
2009
).
20.
S.
Miwa
,
M.
Suzuki
,
M.
Tsujikawa
,
K.
Matsuda
,
T.
Nozaki
,
K.
Tanaka
 et al,
Nat. Commun.
8
,
15848
(
2017
).
21.
S.
Miwa
,
M.
Suzuki
,
M.
Tsujikawa
,
T.
Nozaki
,
T.
Nakamura
,
M.
Shirai
 et al,
J. Phys. D
52
,
063001
(
2019
).
22.
S. E.
Barnes
,
J.
Ieda
, and
S.
Maekawa
,
Sci. Rep.
4
,
4105
(
2014
).
23.
T.
Nozaki
,
Y.
Shiota
,
S.
Miwa
,
S.
Murakami
,
F.
Bonell
,
S.
Ishibashi
 et al,
Nat. Phys.
8
,
491
(
2012
).
24.
J.
Zhu
,
J. A.
Katine
,
G. E.
Rowlands
,
Y. J.
Chen
,
Z.
Duan
,
J. G.
Alzate
 et al,
Phys. Rev. Lett.
108
,
197203
(
2012
).
25.
R.
Verba
,
M.
Carpentieri
,
G.
Finocchio
,
V.
Tiberkevich
, and
A.
Slavin
,
Sci. Rep.
6
,
25018
(
2016
).
26.
Y. J.
Chen
,
H. K.
Lee
,
R.
Verba
,
J. A.
Katine
,
I.
Barsukov
,
V.
Tiberkevich
 et al,
Nano Lett.
17
,
572
(
2017
).
27.
B.
Rana
,
Y.
Fukuma
,
K.
Miura
,
H.
Takahashi
, and
Y.
Otani
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
052404
(
2017
).
28.
Y.
Shiota
,
T.
Nozaki
,
F.
Bonell
,
S.
Murakami
,
T.
Shinjo
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Mater.
11
,
39
(
2012
).
29.
S.
Kanai
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Ikeda
,
Y.
Nakatani
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122403
(
2012
).
30.
C.
Grezes
,
H.
Lee
,
A.
Lee
,
S.
Wang
,
F.
Ebrahimi
,
X.
Li
 et al,
IEEE Magn. Lett.
8
,
3102705
(
2017
).
31.
Y.
Shiota
,
T.
Nozaki
,
S.
Tamaru
,
K.
Yakushiji
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
 et al,
Appl. Phys. Express
9
,
013001
(
2016
).
32.
T.
Yamamoto
,
T.
Nozaki
,
H.
Imamura
,
Y.
Shiota
,
T.
Ikeura
,
S.
Tamaru
 et al,
Phys. Rev. Appl.
11
,
014013
(
2019
).
33.
P. K.
Amiri
,
J. G.
Alzate
,
X. Q.
Cai
,
F.
Ebrahimi
,
Q.
Hu
,
K.
Wong
 et al,
IEEE Trans. Magn.
51
,
3401507
(
2015
).
34.
T.
Nozaki
,
T.
Yamamoto
,
S.
Miwa
,
M.
Tsujikawa
,
M.
Shirai
,
S.
Yuasa
 et al,
Micromachines
10
,
327
(
2019
).
35.
H.
Lee
,
A.
Lee
,
S.
Wang
,
F.
Ebrahimi
,
P.
Gupta
,
P. K.
Amiri
 et al,
IEEE Trans. Magn.
54
,
4400209
(
2018
).
36.
T.
Nozaki
,
A.
Kozioł-Rachwał
,
W.
Skowroński
,
V.
Zayets
,
Y.
Shiota
,
S.
Tamaru
 et al,
Phys. Rev. Appl.
5
,
044006
(
2016
).
37.
A.
Koziol-Rachwal
,
T.
Nozaki
,
K.
Freindl
,
J.
Korecki
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Sci. Rep.
7
,
5993
(
2017
).
38.
Q.
Xiang
,
Z.
Wen
,
H.
Sukegawa
,
S.
Kasai
,
T.
Seki
,
T.
Kubota
 et al,
J. Phys. D
50
,
40LT04
(
2017
).
39.
S.
Miwa
,
J.
Fujimoto
,
P.
Risius
,
K.
Nawaoka
,
M.
Goto
, and
Y.
Suzuki
,
Phys. Rev. X
7
,
031018
(
2017
).
40.
T.
Nozaki
,
A.
Kozioł-Rachwał
,
M.
Tsujikawa
,
Y.
Shiota
,
X.
Xu
,
T.
Ohkubo
 et al,
NPG Asia Mater.
9
,
e451
(
2017
).
41.
T.
Nozaki
,
M.
Endo
,
M.
Tsujikawa
,
T.
Yamamoto
,
T.
Nozaki
,
M.
Konoto
 et al,
APL Mater.
8
,
011108
(
2020
).
42.
Z.
Wen
,
H.
Sukegawa
,
T.
Seki
,
T.
Kubota
,
K.
Takanashi
, and
S.
Mitani
,
Sci. Rep.
7
,
45026
(
2017
).
43.
T.
Nozaki
,
H.
Arai
,
K.
Yakushiji
,
S.
Tamaru
,
H.
Kubota
,
H.
Imamura
 et al,
Appl. Phys. Express
7
,
073002
(
2014
).
44.
T.
Nozaki
,
T.
Yamamoto
,
S.
Tamaru
,
K.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
Y.
Suzuki
 et al,
APL Mater.
6
,
026101
(
2018
).
45.
X.
Li
,
K.
Fitzell
,
D.
Wu
,
C. T.
Karaba
,
A.
Buditama
,
G.
Yu
 et al,
Appl. Phys. Lett.
110
,
052401
(
2017
).
46.
X.
Li
,
T.
Sasaki
,
C.
Grezes
,
D.
Wu
,
K.
Wong
,
C.
Bi
 et al,
Nano Lett.
19
,
8621
(
2019
).
47.
W.
Skowroński
,
T.
Nozaki
,
Y.
Shiota
,
S.
Tamaru
,
K.
Yakushiji
,
H.
Kubota
 et al,
Appl. Phys. Express.
8
,
053003
(
2015
).
48.
S.
Yakata
,
H.
Kubota
,
Y.
Suzuki
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
 et al,
J. Appl. Phys.
105
,
07D131
(
2009
).
49.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H. D.
Gan
,
M.
Endo
 et al,
Nat. Mater.
9
,
721
(
2010
).
50.
H. X.
Yang
,
M.
Chshiev
,
B.
Dieny
,
J. H.
Lee
,
A.
Manchon
, and
K. H.
Shin
,
Phys. Rev. B
84
,
054401
(
2011
).
51.
A.
Hallal
,
H. X.
Yang
,
B.
Dieny
, and
M.
Chshiev
,
Phys. Rev. B
88
,
184423
(
2013
).
52.
S.-F.
Pai
,
M.-H.
Nguyen
,
C.
Belvin
,
L. H.
Vilela-Leão
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
082407
(
2014
).
53.
W.
Skowroński
,
T.
Nozaki
,
D. D.
Lam
,
Y.
Shiota
,
K.
Yakushiji
,
H.
Kubota
 et al,
Phys. Rev. B
91
,
184410
(
2015
).
54.
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
A. J.
Kellock
,
S.
Fukami
,
M.
Yamanouchi
,
H.
Sato
 et al,
Appl. Phys. Lett.
102
,
242405
(
2013
).
55.
H.
Kubota
,
S.
Ishibashi
,
T.
Saruya
,
T.
Nozaki
,
A.
Fukushima
,
K.
Yakushiji
 et al,
J. Appl. Phys.
111
,
07C723
(
2012
).
56.
H.
Sato
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Ikeda
,
S.
Fukami
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
022414
(
2012
).
57.
H.
Sukegawa
,
J. P.
Hadorn
,
Z.
Wen
,
T.
Ohkubo
,
S.
Mitani
, and
K.
Hono
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
112403
(
2017
).
58.
Q.
Xiang
,
R.
Mandal
,
H.
Sukegawa
,
Y. K.
Takahashi
, and
S.
Mitani
,
Appl. Phys. Express
11
,
063008
(
2018
).
59.
T.
Nozaki
,
T.
Nozaki
,
T.
Yamamoto
,
M.
Konoto
,
A.
Sugihara
,
K.
Yakushiji
 et al,
NPG Asia Mater.
14
,
5
(
2022
).
60.
S.
Sakamoto
,
T.
Nozaki
,
S.
Yuasa
,
K.
Amemiya
, and
S.
Miwa
, arXiv:2208:07007 (
2022
).
61.
P.
Vlaic
,
E.
Burzo
, and
K.
Carva
,
J. Phys. D
49
,
305302
(
2016
).
62.
Q.
Xue
,
Y.
Yang
,
Z.
Gao
,
F.
Liu
,
Q.
Li
,
S.
Li
 et al,
Appl. Phys. Lett.
109
,
192407
(
2016
).
63.
S. K.
Narayananellore
,
N.
Doko
,
N.
Matsuo
,
H.
Saito
, and
S.
Yuasa
,
Jpn. J. Appl. Phys. Part 1
57
,
04FN04
(
2018
).
64.
M.
Pankieiev
and
K.
Kita
,
AIP Adv.
8
,
055901
(
2018
).
65.
S.
Miwa
,
T.
Nozaki
,
M.
Tsujikawa
,
M.
Suzuki
,
T.
Tsukahara
,
T.
Kawabe
 et al,
Phys. Rev. B
99
,
184421
(
2019
).
You do not currently have access to this content.