本发明属于压电材料，涉及一种压电薄膜及其制备方法与应用，尤其涉及一种自偏置压电陶瓷薄膜及其制备方法与应用。
背景技术：
1、铁电材料具有优异的铁电性、压电性、热释电性、介电性以及光电特性，是铁电薄膜是电子工业中重要的功能器件原材料之一。其能够利用压电效应实现来自外界的机械刺激与电能之间的相互转换，或能够利用电能实现机械响应。钙钛矿型铁电薄膜具有独特的结构和性能优势，成为研究和应用最广泛的铁电薄膜。
2、锆钛酸铅(pzt)是钙钛矿型铁电薄膜的代表材料，具有优异的压电性能以及良好的稳定性，是一种应用广泛的铁电薄膜材料。但是，较高的制备温度和多相多畴的复杂结构状态，导致其在实际应用过程中容易出现一系列问题。
3、cn112928200a公开了一种锆钛酸铅压电薄膜及其制备方法与应用，其采用钙钛矿氧化物镍酸镧作为缓冲层制备锆钛酸铅压电薄膜，又经过两步法退火获得了性能优异的压电薄膜。但其在制备缓冲层时需要采用射频磁控溅射，还需要经过高温退火才能获得晶体取向优异的压电薄膜，严重增加了压电薄膜的生产周期。
4、cn108511112a公开了一种镍酸镧导电薄膜及其制备方法和应用，该方法采用脉冲激光沉积法制备了lani1+δo3导电薄膜，配合高氧压退火工艺，使制备的lno导电薄膜电阻率不受应力影响。但是该方法使用单晶钛酸锶基底，导致制备成本较高；此外，si与lno的晶格适配性差，导致lno很难形成织构。而且，该方法需要长时间的高温退火，也增加了制备成本。
5、对此，需要提供一种低成本并保证质量的自偏置压电薄膜及其制备方法与应用。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种自偏置压电薄膜及其制备方法与应用，所述自偏置压电薄膜通过氧化物层特定材质的选择，在导电部与顶电极之间产生电势差，从而在自偏置压电薄膜内部产生内建电场，获得了自偏压压电薄膜。由于存在自偏压，使用时不再需要预极化处理，能够在低电压下获得理想的位移，有助于进一步缩小电子器件的尺寸与功耗，在电子器件使用过程中也不会出现退极化现象。
2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种自偏置压电薄膜，所述自偏置压电薄膜包括沿自偏置压电薄膜厚度方向设置的导电部、压电薄膜层与顶电极；
4、所述导电部包括氧化物层，或层叠设置的底电极与氧化物层；
5、所述氧化物层设置于靠近压电薄膜层的一侧；
6、所述氧化物层的材质包括lani1+xo3、mgo或srruo3中的任意一种或至少两种的组合，其中，x的取值范围为0.05至0.15，例如可以是0.05、0.08、0.1、0.12或0.15，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
7、对于压电薄膜层中的压电材料而言，其压电性能本征贡献来自于中心离子的位移，在施加外部电场时，在晶体内部中心离子的位移会使晶格产生形变，在宏观上发生形变从而产生压电效应。本发明通过氧化物层材质的特定选择，在导电部与顶电极之间产生电势差，从而在自偏置压电薄膜内部产生内建电场，获得了自偏压压电薄膜。由于存在自偏压，使用时不再需要预极化处理，能够在低电压下获得理想的位移，有助于进一步缩小电子器件的尺寸与功耗，在电子器件使用过程中也不会出现退极化现象。
8、此外，对于特定的应用场景，例如压电式mems(micro-electro-mechanicalsystem)扬声器，由于自偏置压电薄膜的自极化，其横向压电系数在不同外部电场下呈现高线性度，避免了mems扬声器使用时出现失真。
9、优选地，所述顶电极的材质包括钛(ti)、铂(pt)、金(au)、铬(cr)或铝(al)中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括ti与pt的组合，au与cr的组合，pt与al的组合，ti、pt与au的组合，au、cr与al的组合，或ti、pt、au、cr与al的组合。
10、所述顶电极的材质为至少两种的组合时，包括各元素的依序单独沉积，或各元素同时沉积。
11、优选地，所述底电极的材质包括钛(ti)、铂(pt)、金(au)、铬(cr)或铝(al)中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括ti与pt的组合，au与cr的组合，pt与al的组合，ti、pt与au的组合，au、cr与al的组合，或ti、pt、au、cr与al的组合。
12、所述底电极的材质为至少两种的组合时，包括各元素的依序单独沉积，或各元素同时沉积。
13、优选地，所述压电薄膜层的材质包括锆钛酸铅(pbazr1-atio3,0<a<1)。
14、优选地，所述自偏置压电薄膜还包括设置于导电部远离压电薄膜层一侧的基底。
15、优选地，所述基底的材质包括硅、石英、绝缘体上硅或316不锈钢中的任意一种或至少两种的组合。
16、优选地，为了增强基底与导电部的粘结力，所述基底与导电部之间设置有粘附层。
17、优选地，所述粘附层的厚度为18-22nm，例如可以是18nm、19nm、20nm、21nm或22nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
18、优选地，所述氧化物层的材质为lani1+xo3时，采用镍酸镧(lno)靶材磁控溅射制备氧化物层；
19、优选地，所述镍酸镧靶材中，la、ni、o的摩尔比为1:(1.05-1.15):(2.65-2.75)。
20、所述镍酸镧靶材中，la与ni的摩尔比为1:(1.05-1.15)，例如可以是1:1.05、1:1.08、1:1.1、1:1.12或1:1.15，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
21、所述镍酸镧靶材中，la与o的摩尔比为1:(2.65-2.75)，例如可以是1:2.65、1:2.68、1:2.7、1:2.72或1:2.75，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
22、氧化物层的导电性收到取向和组分的影响，组成为钙钛矿氧化物的氧化物层，在使用磁控溅射法进行制备时，只能使用射频磁控溅射，无法使用直流磁控溅射，极大的限制了其量产前景。本发明控制镍酸镧靶材中la、ni、o的摩尔比，形成缺氧的镍酸镧靶材，其具有优异的导电性能，能够使用直流磁控溅射进行氧化物层的制备。
23、而且，本发明通过控制镍酸镧靶材中la、ni、o的摩尔比，在使用镍酸镧靶材进行氧化物层的制备时，能够得到不同功函数的氧化物层。
24、优选地，所述镍酸镧靶材的制备方法包括如下步骤：
25、按配方量湿法球磨混合la2o3与ni2o3，将球磨料干燥后，在氧含量≤21vol％的气氛中烧结，自然冷却，得到烧结料；烧结料经冷等静压制成生坯，然后在氧含量≤21vol％的气氛中进行热处理，得到镍酸镧靶材。
26、按配方量湿法球磨混合la2o3与ni2o3是指，使所得镍酸镧靶材中，la与ni的摩尔比为1:(1.05-1.15)。
27、在氧含量≤21vol％的气氛中常压烧结与热处理，则能够通过对氧含量的调节，实现la与o的摩尔比为1:(2.65-2.75)。
28、烧结与热处理时，所在气氛的氧含量越低，则所得镍酸镧靶材中o元素的含量越低；所在气氛的氧含量越高，则所得镍酸镧靶材中o元素的含量越高，为了使镍酸镧靶材中la与o的摩尔比为1:(2.65-2.75)，烧结与热处理时，氧含量≤21vol％，例如可以是5vol％、10vol％、15vol％、20vol％或21vol％，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
29、优选地，所述湿法球磨采用二氧化锆作为球磨介质，以无水乙醇作为助磨剂。
30、优选地，所述烧结的温度为880-920℃，例如可以是880℃、890℃、900℃、910℃或920℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
31、优选地，所述热处理的温度为960-1000℃，例如可以是960℃、970℃、980℃、990℃或1000℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
32、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述自偏置压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
33、使用磁控溅射依次沉积导电部、压电薄膜层与顶电极，得到所述自偏置压电薄膜；
34、所述导电部包括氧化物层，或层叠设置的底电极与氧化物层；
35、所述氧化物层设置于靠近压电薄膜层的一侧。
36、优选地，底电极的磁控溅射方法包括直流磁控溅射。
37、所述底电极的磁控溅射温度为25-100℃，例如可以是25℃、40℃、50℃、60℃、80℃或100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
38、示例性的，直流磁控溅射制备底电极时的工艺参数包括：升温速率≤12℃/min以下，磁控溅射温度25-100℃、绝对压力0.3-0.5pa的条件下，控制靶基距为40-50mm，在功率密度为1.5-2.5w/cm2的条件下磁控溅射，保温10-20min，完成厚度为90-110nm的底电极的制备；溅射气氛为氩气。
39、优选地，所述氧化物层的磁控溅射方法包括直流磁控溅射或射频磁控溅射。
40、优选地，所述氧化物层的磁控溅射温度为300-600℃，例如可以是300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃或600℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
41、示例性的，以氧化物层的材质为lani1+xo3(0.05≤x≤0.15)为例，直流磁控溅射制备氧化物层时的工艺参数包括：升温速率≤15℃/min以下，磁控溅射温度300-500℃、绝对压力0.3-0.5pa的条件下，控制靶基距为35-45mm，在功率密度为2.2-2.5w/cm2的条件下磁控溅射，完成厚度为90-110nm的氧化物层的制备；溅射气氛为体积比40:15的氩气与氧气。
42、优选地，所述压电薄膜层的磁控溅射方法包括射频磁控溅射。
43、优选地，所述压电薄膜层的磁控溅射温度为400-650℃，例如可以是400℃、450℃、500℃、550℃、600℃或650℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
44、示例性的，射频磁控溅射制备压电薄膜层时的工艺参数包括：升温速率≤15℃/min以下，磁控溅射温度550-650℃、绝对压力0.3-0.5pa的条件下，控制靶基距为45-55mm，在功率密度为1.8-2.2w/cm2的条件下磁控溅射，完成厚度为1.8-2.2μm的压电薄膜层的制备；溅射气氛为体积比32:8的氩气与氧气。
45、优选地，所述顶电极的磁控溅射方法包括直流磁控溅射。
46、优选地，所述顶电极的磁控溅射温度为25-100℃，例如可以是25℃、40℃、50℃、60℃、80℃或100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其余未列举的数值同样适用。
47、示例性的，直流磁控溅射制备顶电极时的工艺参数包括：升温速率≤12℃/min以下，磁控溅射温度25-100℃、绝对压力0.3-0.5pa的条件下，控制靶基距为40-50mm，在功率密度为1.5-2.5w/cm2的条件下磁控溅射，保温10-20min，完成顶电极的制备；溅射气氛为氩气。
48、第三方面，本发明提供了一种电子器件，所述电子器件包括第二方面所述的自偏置压电薄膜。
49、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
50、本发明通过氧化物层材质的特定选择，在导电部与顶电极之间产生电势差，从而在自偏置压电薄膜内部产生内建电场，获得了自偏压压电薄膜。由于存在自偏压，使用时不再需要预极化处理，能够在低电压下获得理想的位移，有助于进一步缩小电子器件的尺寸与功耗，在电子器件使用过程中也不会出现退极化现象。
1.一种自偏置压电薄膜，其特征在于，所述自偏置压电薄膜包括沿自偏置压电薄膜厚度方向设置的导电部、压电薄膜层与顶电极；
2.根据权利要求1所述的自偏置压电薄膜，其特征在于，所述顶电极的材质包括钛、铂、金、铬或铝中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的自偏置压电薄膜，其特征在于，所述底电极的材质包括钛、铂、金、铬或铝中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的自偏置压电薄膜，其特征在于，所述压电薄膜层的材质包括锆钛酸铅。
5.根据权利要求1-4任一项所述的自偏置压电薄膜，其特征在于，所述氧化物层的材质为lani1+xo3时，采用镍酸镧靶材磁控溅射制备氧化物层；
6.根据权利要求5所述的自偏置压电薄膜，其特征在于，所述镍酸镧靶材的制备方法包括如下步骤：
7.一种如权利要求1-6任一项所述自偏置压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，底电极的磁控溅射方法包括直流磁控溅射；
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述底电极的磁控溅射温度为25-100℃；
10.一种电子器件，其特征在于，所述电子器件包括权利要求1-6任一项所述的自偏置压电薄膜。
