Austauschwechselwirkungen, Intrabandschwingungen und Ti³⁺-Kristallfeldaufspaltung in dotiertem Al₂O₃

Zusammenfassung

Rubine verschiedener Konzentrationen von Cr-Ionen wurden im Wellenlängenbereich zwischen 50 μ und 1 mm bei den Temperaturen des flüssigen He und N₂ spektroskopisch untersucht. Bei He-Temperaturen wurden bei 37,7 und 106 cm⁻¹ starke, bei 18,8; 30,7; 33,2 und 43,0 cm⁻¹ schwache Absorptionslinien beobachtet. Diese Linien verschwinden bei 77°K und sind von der Konzentration der Cr-Ionen im Al₂O₃ abhängig. Bei den dotierten Kristallen Al₂O₃: Ti und Al₂O₃: V treten ebenfalls beide starken Absorptionen auf, während die schwachen Linien verschwinden. In Saphir wurden keine Linien festgestellt. Die Herkunft der beiden starken Absorptionslinien wird diskutiert unter Berücksichtigung der Austauschresonanzen von Cr³⁺-Paaren, Übergängen zwischen Kristallfeldaufspaltungen von Ti-Verunreinigungen und defekt-induzierten Gitterschwingungen. Die schwachen Linien hingegen werden unter Berücksichtigung der Daten aus der paramagnetischen Resonanz und der Fluoreszenzspektroskopie Austauschresonanzen zweitnächster und viertnächster Nachbarn zugeordnet. Dabei benützt man die Resultate der Gruppentheorie der Austauschwechselwirkung, wonach für die zweitnächsten Nachbarn die AuswahlregelΔS=2 gilt und für die viertnächsten NachbarnΔS beliebig ist.

Résumé

Les spectres d'absorption de rubis à différentes concentrations en Cr ont été étudiés aux températures de l'hélium et de l'azote liquide pour les longueurs d'onde de 50 μ à 1 mm. Aux températures de l'hélium liquide on a observé deux fortes absorptions à 37,7 et 106 cm⁻¹ et des faibles absorptions à 18,8; 30,7; 33,2 et 43,0 cm⁻¹. Ces raies qui dépendent de la concentration en Cr disparaissent à la température de l'azote liquide. Les deux raies intenses ont été également observées aux cristaux d'Al₂O₃ dopés au Ti ou V. Le saphir ne présente aucune de ces raies. L'origine des deux raies intenses des cristaux d'Al₂O₃ dopés au Ti, V ou Cr est discutée en considerant les transitions magnétiques de paires d'ions Cr³⁺ couplés par l'interaction d'échange, les transitions entre les niveaux du Ti³⁺ séparés par l'action du champ crystallin et les vibrations du réseau contenant des impuretés. Les absorptions faibles, au contraire, peuvent être attribuées aux transitions entre les niveau d'échange des seconds et quatrièmes paires d'ions Cr³⁺ en utilisant les données de la résonance paramagnétique et de la fluorescence. Pour les seconds paires, la théorie des groupes prédit les transitionsΔS=2. Pour les quatrièmes paires, par contre, il n'existe aucune restriction pourΔS.

Abstract

The absorption spectra of ruby with various Cr concentrations have been studied in the wavelength region between 50 μ and 1 mm at liquid helium and nitrogen temperatures. At liquid helium temperatures two strong absorptions have been found at 37.7 and 106 cm⁻¹ and weak absorptions at 18.8, 30.7, 33.2 and 43.0 cm⁻¹. These lines depend on the Cr concentration and vanish at N₂ temperatures. The two strong absorptions have also been observed in Al₂O₃ crystals doped with Ti or V. Sapphire did not show any of these absorptions. The origin of the two strong absorptions in Al₂O₃ crystals doped with Ti, V or Cr are discussed by consideration of magnetic dipole transitions of exchange coupled Cr³⁺ - pairs, the crystal field splitting of Ti³⁺ impurities and impurity — induced lattice modes. The weak absorption lines, on the other hand, may be assigned to transitions between the exchange levels of the second-nearest and fourth-nearest Cr³⁺ pairs if one makes use of the data obtained from the EPR and fluorescence spectra. For the second-nearest Cr³⁺ pairs group theory of the exchange interaction predicts transitions withΔS=2, whereas for the fourth-nearest neighbours no restriction forΔS exists.