Solute segregation at the interfaces, such as the surface and the grain boundary, is a phenomenon that greatly affects the interfacial properties of the material. The driving forces of solute segregation are the elastic strain energy from the large size misfit between the solute and host atoms, and also the electrostatic energy from the charge imbalance on the interface. Many reports have demonstrated the elastic-field-driven segregation in various oxides. However, little atomic-scale observation has been provided to demonstrate the space-charge-driven solute segregation. In this research, we prepared $CaCu_3Ti_4O_{12}$ polycrystals, a perovskite oxide, doped with lanthanum, gadolinium, and ytterbium by solid state reaction and sintering. By using scanning transmission electron microscopy and energy-dispersive x-ray spectroscopy, we directly observed the space-charge-driven solute segregation at the surface and the grain boundary. We identified the position and distribution of segregated solute and the origin of the excess charge at the interface.
표면과 입계과 같은 계면에서 일어나는 용질 편석은 재료의 계면 특성에 큰 영향을 주는 현상이다. 이러한 용질 편석 현상을 일으키는 구동력은 용질과 호스트 이온 간의 큰 크기 차로 인한 탄성 변형 에너지과 표면에서의 전하 불균형으로 인한 정전기적 에너지가 있다. 용질과 호스트 이온 간의 큰 크기 차로 인한 용질 편석에 관해서는 다양한 재료를 통해 원자 단위의 직접적인 관찰을 통해 입증되었다. 하지만 공간전하에 의한 용질 편석에 관해서는 원자단위의 직접적인 관찰이 크게 진행되지 않았다. 이에 본 연구에서는 $Ca^{2+}$ 와 사이즈가 유사하지만 이종원자가를 가지는 $La^{3+}, Gd^{3+}, Yb^{3+}$ 를 도핑시킨 페롭스카이트 산화물인 $CaCu_3Ti_4O_{12}$ 를 고상합성법과 소결을 통해 준비한 후, 이를 주사투과전자현미경과 에너지 분산형 분광분석을 통한 원자레벨의 직접적인 관찰을 통해 공간전하에 의한 계면에서의 용질 편석 현상을 관찰하였다. 이를 통해 계면에서 용질의 정확한 편석 위치와 분포를 확인하였으며, 계면에서 과잉 전하의 생성 기원을 규명하였다.
