In this thesis, we have systematically studied on the current-driven Spin-Orbit-Torque (SOT) phenomena in perpendicularly magnetized heavy-metalferromagnetinsulator multilayer structures to optimize the free-part of the magnetic tunnel junction. Firstly, we worked on the effect of heavy-metal layer thickness on the structural, magnetic, transport and spintronics properties in such a structure. A non-monotonic behavior in the Damping-Like (DL)-SOT is found as a function of the thickness of the heavy-metal layer. It is observed that the sign of the DL-SOT changes with increasing the thickness of the Hf layer in the multilayer structure. Secondly, we worked on the effect of oxide layer on magnetic, transport and spintronics properties in HfCoFeBMgO and HfCoFeBTaOx multilayer structures. Both DL and Field-Like (FL)-torques are found to be significantly stronger in MgO-capped structures than those in TaOx-capped structures. The difference in FL and DL SOTs in different structures may be attributed to the different Rashba-like Hamiltonian, arising from the difference in the electric potential profiles across the oxideferromagnet interfaces in the two cases. Finally, we worked on the engineering of structural asymmetry in multilayer structures to switch the magnetization without external field. The studied structures exhibit broken in-plane inversion symmetry due to a wedged CoFeB layer, resulting in a field-like spin-orbit torque, which can be quantified by a perpendicular effective magnetic field. In particular, while the current-driven deterministic perpendicular magnetic switching was observed at zero magnetic field in HfCoFeBMgO, an external magnetic field is necessary to switch the CoFeB layer deterministically in HfCoFeBTaOx. Based on the experimental results, the SOT magnitude in HfCoFeBMgO was found to be almost 13× larger than that in HfCoFeTaOx. The CoFeB thickness dependence of the magnetic switching behavior, and the resulting effective magnetic field by in-plane currents are also investigated in this work. These findings could potentially be used to engineer SOT devices with enhanced current-driven switching efficiency.

Bu tezde, manyetik tünel eklemlerin serbest bölgesini optimize etmek için yüzeye dik olarak manyetize olmuş ağır-metalferromanyetikyalıtkan katmanlı yapılarında akım sürümlü Spin-Yörünge Torku (SOT) olayı sistematik olarak çalışıldı. İlk olarak, ağır metal katman kalınlığının böylesi bir yapının yapısal, manyetik, taşıyıcı ve spintronik özellikleri üzerine etkisi çalışıldı. Sönümlü (DL)-SOT'da ağır metal katmanın kalınlığına bağlı, tek düze olmayan bir davranış bulundu. DL-SOT'un yönünün katmanlı yapıdaki Hf katman kalınlığının artması ile değiştiği gözlemlendi. İkinci olarak, yalıtkan katmanın HfCoFeBMgO ve HfCoFeBTaOx katmanlı yapılarındaki manyetik, taşıyıcı ve spintronik özelliklere etkisi çalışıldı. DL ve Alan-Türü (FL)-SOT 'larının her ikisinin de MgO ile kaplanmış yapıda TaOx ile kaplanmış yapıdakinden önemli ölçüde daha güçlü olduğu bulunmuştur. Farklı yapılardaki farklı FL ve DL SOT'lardaki fark, yalıtkanferromanyetik ara yüzeylerindeki elektriksel potansiyel farklılıklardan ortaya çıkan farklı Rashba-türü Hamiltonian'lara atfedilebilir. Son olarak, dış manyetik alan olmadan katmanlı yapıdaki manyetizasyonu kontrol edebilmek için yapının simetrisi üzerine mühendislik çalışması gerçekleştirildi. Kama şeklinde büyütülmüş ferromanyetik CoFeB katmandan dolayı çalışılan yapılarda yüzeye dik etkin manyetik alan üretilen alan türü spin-yörünge torku ile film düzleminde simetri bozukluluğu oluşturmaktadır. Özellikle, akım-sürümlü dik manyetizasyon kontrolü HfCoFeBMgO yapısında sıfır alanda gözlenirken, HfCoFeBTaOx yapısındaki CoFeB katmanın kontrolü için bir dış manyetik alan gerekmektedir. Deneysel sonuçlarımıza göre, HfCoFeBMgO yapısındaki SOT büyüklüğünün HfCoFeBTaOx yapısındakine kıyasla 13 kat daha büyük olduğu bulunmuştur. CoFeB kalınlığına bağlı manyetizasyon değişim davranışı ve düzlemsel akıma bağlı olarak sonuçlanan etkin manyetik alan da bu çalışmada araştırıldı. Bu çalışmadaki bulgular akım sürümlü manyetizasyon kontrol verimliliğini güçlendiren SOT aygıtlarında kullanılabileceğini göstermektedir.