Flexible spintronic devices based on spin–orbit torque (SOT)-induced perpendicular magnetization switching (PMS) have attracted increasing attention due to their high storage intensity and good programming capability. However, to achieve deterministic PMS, an in-plane auxiliary magnetic field is required, which greatly limits its application. Here, we show that “robust” magnetic field-free SOT-driven PMS is realized in the oblique sputtered Pt/CoTb multilayers grown on a flexible polyimide substrate. “Robust” means the magnetic field-free SOT switching is highly repeatable and stable after 100 bending cycles under various bending conditions. Additionally, the fabricated flexible multilayers exhibit nearly linear and nonvolatile multistate plasticity as synapses and a nonlinear sigmoid activation function when acting as neurons. We construct a fully connected neural network for handwritten digit recognition, achieving an over 96.27% recognition rate. Our findings may spur further investigations on the SOT-based flexible spintronic devices for wearable artificial intelligence applications.

1.
M.
Hassan
,
G.
Abbas
,
N.
Li
,
A.
Afzal
,
Z.
Haider
,
S.
Ahmed
,
X.
Xu
,
C.
Pan
, and
Z.
Peng
,
Adv. Mater. Technol.
7
,
2100773
(
2022
).
2.
D.-H.
Kim
,
J.-H.
Ahn
,
W. M.
Choi
,
H.-S.
Kim
,
T.-H.
Kim
,
J.
Song
,
Y. Y.
Huang
,
Z.
Liu
,
C.
Lu
, and
J. A.
Rogers
,
Science.
320
,
507
(
2008
).
3.
D.
Shahrjerdi
and
S. W.
Bedell
,
Nano Lett.
13
,
315
(
2013
).
4.
S. C. B.
Mannsfeld
,
B. C. K.
Tee
,
R. M.
Stoltenberg
,
C. V. H.-H.
Chen
,
S.
Barman
,
B. V. O.
Muir
,
A. N.
Sokolov
,
C.
Reese
, and
Z.
Bao
,
Nat. Mater.
9
,
859
(
2010
).
5.
M.
Kaltenbrunner
,
T.
Sekitani
,
J.
Reeder
,
T.
Yokota
,
K.
Kuribara
,
T.
Tokuhara
,
M.
Drack
,
R.
Schwödiauer
,
I.
Graz
,
S.
Bauer-Gogonea
,
S.
Bauer
, and
T.
Someya
,
Nature
499
,
458
(
2013
).
6.
S.
Lee
,
A.
Reuveny
,
J.
Reeder
,
S.
Lee
,
H.
Jin
,
Q.
Liu
,
T.
Yokota
,
T.
Sekitani
,
T.
Isoyama
,
Y.
Abe
,
Z.
Suo
, and
T.
Someya
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
472
(
2016
).
7.
S.
Li
,
P.
Cao
,
F.
Li
,
W.
Asghar
,
Y.
Wu
,
H.
Xiao
,
Y.
Liu
,
Y.
Zhou
,
H.
Yang
,
Y.
Zhang
,
J.
Shang
,
D.
Makarovet
, and
R.-W.
Li
,
Nano Energy
92
,
106754
(
2022
).
8.
Y.
Lu
,
D.
Zhao
,
J.
He
, and
L.
Zou
,
Chem. Eng. J.
475
,
146171
(
2023
).
9.
J.
Yoon
,
A. J.
Baca
,
S.-I.
Park
,
P.
Elvikis
,
J. B.
Geddes
,
L.
Li
,
R. H.
Kim
,
J.
Xiao
,
S.
Wang
,
T.-H.
Kim
,
M. J.
Motalaet
,
B. Y.
Ahn
,
E. B.
Duoss
,
J. A.
Lewis
,
R. G.
Nuzzo
,
P. M.
Ferreira
,
Y.
Huang
,
A.
Rockett
, and
J. A.
Rogers
,
Nat. Mater.
7
,
907
(
2008
).
10.
F.
Song
,
D.
Zheng
,
J.
Feng
,
J.
Liu
,
T.
Ye
,
Z.
Li
,
K.
Wang
,
S.
Liu
, and
D.
Yang
,
Adv. Mater.
36
,
2312041
(
2024
).
11.
J.
Kim
,
M.
Kim
,
M.-S.
Lee
,
K.
Kim
,
S.
Ji
,
Y.-T.
Kim
,
J.
Park
,
K.
Na
,
K.-H.
Bae
,
H. K.
Kim
,
F.
Bien
,
C. Y.
Lee
, and
J.-U.
Park
,
Nat. Commun.
8
,
14997
(
2017
).
12.
S.
Qu
,
Z.
Song
,
J.
Liu
,
Y.
Li
,
Y.
Kou
,
C.
Ma
,
X.
Han
,
Y.
Deng
,
N.
Zhao
,
W.
Hu
, and
C.
Zhong
,
Nano Energy
39
,
101
(
2017
).
13.
K.
Takei
,
T.
Takahashi
,
J. C.
Ho
,
H.
Ko
,
A. G.
Gillies
,
P. W.
Leu
,
R. S.
Fearing
, and
A.
Javey
,
Nat. Mater.
9
,
821
(
2010
).
14.
J.
Ge
,
X.
Wang
,
M.
Drack
,
O.
Volkov
,
M.
Liang
,
G. S.
Cañón Bermúdez
,
R.
Illing
,
C.
Wang
,
S.
Zhou
,
J.
Fassbender
,
M.
Kaltenbrunner
, and
D.
Makarov
,
Nat. Commun.
10
,
4405
(
2019
).
15.
S.
Parkin
,
J.
Xin
,
C.
Kaiser
,
A.
Panchula
,
K.
Roche
, and
M.
Samant
,
Proc. IEEE
91
,
661
(
2003
).
16.
R.
Ramaswamy
,
J. M.
Lee
,
K.
Cai
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
031107
(
2018
).
17.
J.-U.
Thiele
,
S.
Maat
, and
E. E.
Fullerton
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
2859
(
2003
).
18.
S.
Ikegawa
,
F. B.
Mancoff
,
J.
Janesky
, and
S.
Aggarwal
,
IEEE Trans. Electron Devices.
67
,
1407
(
2020
).
19.
T.
Vemulkar
,
R.
Mansell
,
A.
Fernández-Pacheco
, and
R. P.
Cowburn
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
4704
(
2016
).
20.
M.
Melzer
,
D.
Karnaushenko
,
G.
Lin
,
S.
Baunack
,
D.
Makarov
, and
O. G.
Schmidt
,
Adv. Mater.
27
,
1333
(
2015
).
21.
L. M.
Loong
,
W.
Lee
,
X.
Qiu
,
P.
Yang
,
H.
Kawai
,
M.
Saeys
,
J.-H.
Ahn
, and
H.
Yang
,
Adv. Mater.
28
,
4983
(
2016
).
22.
G. S.
Cañón Bermúdez
,
H.
Fuchs
,
L.
Bischoff
,
J.
Fassbender
, and
D.
Makarov
,
Nat. Electron.
1
,
589
(
2018
).
23.
S.
Ota
,
A.
Ando
, and
D.
Chiba
,
Nat. Electron.
1
,
124
(
2018
).
24.
S.
Eimer
,
H.
Cheng
,
J.
Li
,
X.
Zhang
,
C.
Zhao
, and
W.
Zhao
,
Sci. China Inf. Sci.
66
,
122408
(
2023
).
25.
S.
Zhao
,
Z.
Zhou
,
C.
Li
,
B.
Peng
,
Z.
Hu
, and
M.
Liu
,
ACS Nano
12
,
7167
(
2018
).
26.
M.
Li
,
H.
Yang
,
Y.
Xie
,
K.
Huang
,
L.
Pan
,
W.
Tang
,
X.
Bao
,
Y.
Yang
,
J.
Sun
,
X.
Wang
,
S.
Che
, and
R.-W.
Li
,
Nano Lett.
23
,
8073
(
2023
).
27.
Y.
Cheng
,
G.
Dong
,
Y.
Li
,
G.
Yang
,
B.
Zhang
,
M.
Guan
,
Z.
Zhou
, and
M.
Liu
,
ACS Nano
16
,
11291
(
2022
).
28.
Z.
Zhang
,
E.
Liu
,
W.
Zhang
,
P. K.
Johnny Wong
,
Z.
Xu
,
F.
Hu
,
X.
Li
,
J.
Tang
,
A. T.
Shen Wee
, and
F.
Xu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
8258
(
2019
).
29.
Z.
Chen
,
X.
Liu
,
J.
Jiang
,
R.
Li
,
Y.
Wang
,
L.
Guo
,
Y.
Xu
, and
W.
Mi
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
15
,
6209
(
2023
).
30.
Q.
Yang
,
Y.
Cheng
,
Y.
Li
,
Z.
Zhou
,
J.
Liang
,
X.
Zhao
,
Z.
Hu
,
R.
Peng
,
H.
Yang
, and
M.
Liu
,
Adv. Electron. Mater.
6
,
2000246
(
2020
).
31.
J.
Zhang
,
W.-K.
Lee
,
R.
Tu
,
D.
Rhee
,
R.
Zhao
,
X.
Wang
,
X.
Liu
,
X.
Hu
,
X.
Zhang
,
T. W.
Odom
, and
M.
Yan
,
Nano Lett.
21
,
5430
(
2021
).
32.
M.
Hassan
,
S.
Laureti
,
C.
Rinaldi
,
F.
Fagiani
,
G.
Barucca
,
F.
Casoli
,
A.
Mezzi
,
E.
Bolli
,
S.
Kaciulis
,
M.
Fix
,
A.
Ullrich
,
M.
Albrecht
, and
G.
Varvaro
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
,
51496
(
2022
).
33.
O.
Lee
,
L.
You
,
J.
Jang
,
V.
Subramanian
, and
S.
Salahuddin
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
252401
(
2015
).
34.
G. D.
Hwee Wong
,
Z.
Xu
,
W.
Gan
,
C. C. I.
Ang
,
W. C.
Law
,
J.
Tang
,
W.
Zhang
,
P. K. J.
Wong
,
X.
Yu
,
F.
Xu
,
A. T. S.
Wee
,
C. S.
Seet
, and
W. S.
Lew
,
ACS Nano
15
,
8319
(
2021
).
35.
G. D.
Hwee Wong
,
C. C. I.
Ang
,
W.
Gan
,
W. C.
Law
,
Z.
Xu
,
F.
Xu
,
C. S.
Seet
, and
W. S.
Lew
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
042402
(
2021
).
36.
W.
Wang
,
J.
Liu
,
W.
Su
,
Y.
Han
,
Q.
Du
,
J.
Wu
,
Z.
Hu
,
C.
Wang
,
Z.
Jiang
,
Z.
Wang
, and
M.
Liu
,
Nano Lett.
24
,
2003
(
2024
).
37.
M.
Li
,
C.
Li
,
X.
Xu
,
M.
Wang
,
Z.
Zhu
,
K.
Meng
,
B.
He
,
G.
Yu
,
Y.
Hu
,
L.
Peng
, and
Y.
Jiang
,
Nano Lett.
23
,
3818
(
2023
).
38.
Y.-W.
Oh
,
S. 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
).
39.
Q.
Huang
,
C.
Guan
,
Y.
Fan
,
X.
Zhao
,
X.
Han
,
Y.
Dong
,
X.
Xie
,
T.
Zhou
,
L.
Bai
,
Y.
Peng
,
Y.
Tian
, and
S.
Yan
,
ACS. Nano
16
,
12462
(
2022
).
40.
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
).
41.
J.
Zhou
,
T.
Zhao
,
X.
Shu
,
L.
Liu
,
W.
Lin
,
S.
Chen
,
S.
Shi
,
X.
Yan
,
X.
Liu
, and
J.
Chen
,
Adv. Mater.
33
,
2103672
(
2021
).
42.
J.
Yu
,
D.
Bang
,
R.
Mishra
,
R.
Ramaswamy
,
J. H.
Oh
,
H.-J.
Park
,
Y.
Jeong
,
P. V.
Thach
,
D.-K.
Lee
,
G.
Go
,
S.-W.
Lee
,
Y.
Wang
,
S.
Shi
,
X.
Qiu
,
H.
Awano
,
K.-J.
Lee
, and
H.
Yanget
,
Nat. Mater.
18
,
29
(
2019
).
43.
Z.
Zheng
,
Y.
Zhang
,
V.
Lopez-Dominguez
,
L.
Sánchez-Tejerina
,
J.
Shi
,
X.
Feng
,
L.
Chen
,
Z.
Wang
,
Z.
Zhang
,
K.
Zhang
,
B.
Hong
,
Y.
Xu
,
Y.
Zhang
,
M.
Carpentieri
,
A.
Fert
,
G.
Finocchio
,
W.
Zhao
, and
P. K.
Amiri
,
Nat. Commun.
12
,
4555
(
2021
).
44.
D.
Meng
,
S.
Chen
,
C.
Ren
,
J.
Li
,
G.
Lan
,
C.
Li
,
Y.
Liu
,
Y.
Su
,
G.
Yu
,
G.
Chai
,
R.
Xiong
,
W.
Zhao
,
G.
Yang
, and
S.
Liang
,
Adv. Electron. Mater.
10
,
2300665
(
2024
).
45.
R.
Liu
,
J.
Chen
,
Z.
Li
,
X.
Lu
,
Y.
Lu
,
T.
Liu
,
Y.
Zhang
,
Y.
Yuan
,
L.
Wei
,
D.
Wu
,
B.
You
,
W.
Zhang
, and
J.
Du
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
15
,
51971
(
2023
).
46.
K.
Cai
,
Z.
Zhu
,
J. M.
Lee
,
R.
Mishra
,
L.
Ren
,
S. D.
Pollard
,
P.
He
,
G.
Liang
,
K. L.
Teo
, and
H.
Yang
,
Nat. Electron.
3
,
37
(
2020
).
47.
K.-J.
Kim
,
S. K.
Kim
,
Y.
Hirata
,
S.-H.
Oh
,
T.
Tono
,
D.-H.
Kim
,
T.
Okuno
,
W. S.
Ham
,
S.
Kim
,
G.
Go
,
Y.
Tserkovnyak
,
A.
Tsukamoto
,
T.
Moriyama
,
K.-J.
Lee
, and
T.
Ono
,
Nat. Mater.
16
,
1187
(
2017
).
48.
J.
Finley
and
L.
Liu
,
Phys. Rev. Appl.
6
,
054001
(
2016
).
49.
X.
Xie
,
X.
Wang
,
W.
Wang
,
X.
Zhao
,
L.
Bai
,
Y.
Chen
,
Y.
Tian
, and
S.
Yan
,
Adv. Mater.
35
,
2208275
(
2023
).
50.
T.
Zhou
,
X.
Xie
,
X.
Zhao
,
Y.
Dong
,
J.
Wang
,
W.
Chen
,
Q.
Hang
,
Q.
Leng
,
L.
Bai
,
Y.
Chen
,
S.
Yan
, and
Y.
Tian
,
Phys. Rev. B
105
,
144434
(
2022
).
51.
R.
Wang
,
Z.
Xiao
,
H.
Liu
,
Z.
Quan
,
X.
Zhang
,
M.
Wang
,
M.
Wu
, and
X.
Xu
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
042404
(
2019
).
52.
V. M.
P
,
K. R.
Ganesh
, and
P. S. A.
Kumar
,
Phys. Rev. B
96
,
104412
(
2017
).
53.
S.
Woo
,
M.
Mann
,
A. J.
Tan
,
L.
Caretta
, and
G. S. D.
Beach
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
212404
(
2014
).
54.
X.
Han
,
Z.
Wang
,
Y.
Wang
,
D.
Wang
,
L.
Zheng
,
L.
Zhao
,
Q.
Huang
,
Q.
Cao
,
Y.
Chen
,
L.
Bai
,
G.
Xing
,
Y.
Tian
, and
S.
Yan
,
Adv. Funct. Mater.
2404679
(
2024
).
You do not currently have access to this content.