Abstract
An analysis of the electron spin resonance spectrum of smoky quartz shows that the paramagnetic center is formed by a defect electron, trapped at one of the four oxygen ligands around a substitutional aluminum impurity ion. According to the C2-symmetry of a metal site inα-SiO2, two of these oxygen sites form slightly deeper traps for the hole. If trapped at one of the remaining two ligands, the hole is in an excited state,ΔE=0.030 eV. Thermally activated hopping of the hole among these oxygen sites accounts for the disappearance of the ESR-spectrum, above 170°K, as well as for the occurrence of dielectric loss in smoky quartz. The electronic structure of the trapped hole center is discussed by crystal field theory, appropriate for an O−-ion, which also accounts adequately for the experimentalg-shift data.
Zusammenfassung
Wie die Analyse des Elektronenspinresonanz-Spektrums von Rauchquarz zeigt, bildet sich das paramagnetische Zentrum, wenn ein Defektelektron an einem der vier Sauerstoffliganden um ein substitutionelles Aluminium-Fremdion eingefangen wird. Da das Metallion imα-SiO2-Gitter die Symmetrie C2 hat, ist die Fallentiefe für das Loch an zweien der Sauerstoffplätze geringfügig größer. Wird das Loch an einem der beiden übrigen Liganden eingefangen, so befindet es sich in einem angeregten Zustand,ΔE=0.030 eV. Der thermisch aktivierte Platzwechsel des Loches zwischen diesen Sauerstoffliganden bewirkt sowohl das Verschwinden der ESR-Spektren oberhalb 170°K als auch das Auftreten dielektrischer Verluste in Rauchquarz. Die elektronische Struktur des Zentrums ergibt sich aus einer Kristallfeldrechnung am O−-Ion, die auch die experimentelleng-Shifts befriedigend erklärt.
Résumé
Une analyse du spectre de résonance de spin électronique de quartz fumé montre que le centre paramagnétique est formé par un défaut d’électron, piégé par l’un des quatres ligands d’oxygène autour d’un ion substitutionnel d’aluminium.
L’ion métallique ayant la symmétrie C2 dans l’α-SiO2, deux des sites de l’oxygène forment pour le trou des pièges légèrement plus profonds.
Si le trou est piégé par l’un des deux ligands restants, il se trouve dans un état excité,ΔE=0,030 eV. Une activation thermique du saut du trou entre ces ligands provoque aussi bien la disparition des spectres ESR au dessus de 170°K, que l’apparition de pertes diélectriques dans le quartz fumé.
La structure électronique du centre est déterminée à l’aide de la théorie du champ cristallin pour l’ion O− qui permet également une explication satisfaisante des dates expérimentales concernant le deplacement du facteurg.
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Schnadt, R., Schneider, J. The electronic structure of the trapped-hole center in smoky quartz. Phys kondens Materie 11, 19–42 (1970). https://doi.org/10.1007/BF02422634
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