MgO powder containing low concentrations of isotopically pure52Cr3+ ions. Its application as ESR marker (1988)

The small width (≈ 0.02 mT for T < 150 K) and low g value (≈ 1.9800) of the ESR signal observed from low concentrations (⪅ 1 ppm) of 52Cr3+ ions embedded in MgO suggests that this material may be very useful as a general ESR intensity and g marker. The 9.55% naturally abundant 53Cr (I = 3/2) isotope, however, complicates the former single-line spectrum with a hyperfine (HF) quartet. The low-field HF components often hinder (frequent) measurements of weak spectra in the near-g = 2.0023 region. Based on 52Cr ion implantation in 6 N pure Mg foil a method is presented which eliminates the HF spectrum. The resulting MgO: 52Cr3+ powder only exhibits one narrow line of which ESR analysis shows it to be a very convenient marker. Regarding the physical properties of the 52Cr3+ ions, weakly asymmetric line shapes emerge, being more pronounced the higher the observational frequency and/or the lower T. From this, the existence of a non-negligible ußS3 B term in the effective spin Hamiltonian of cubic-site Cr3+ impurities in MgO is inferred. Independent measurements of u(T) and g(T) (g being the isotropic Zeeman-term spectroscopic splitting factor) reveal both quantities to exhibit an identical T dependence arising from the implicit thermal lattice expansion (i.e., u and g ∝ d5; d is the Cr3+ site–to-nearest-neighbor-oxygen distance). This finding, which disagrees with former results, is in accordance with the simple crystal field model. Also in accordance with this model, no g anisotropies are observed. Die geringe Breite (≈ 0,02 mT für T < 150 K) und der niedrige g-Wert (≈ 1,9800) des bei niedrigen Konzentrationen (< 1 ppm) von 52Cr3+-Ionen in MgO beobachteten ESR-Signals weist darauf hin, daß dieses Material als allgemeiner ESR-Intensitäts-Standard und g-Marker sehr brauchbar sein sollte. Das mit 9,55% natürlicher Häufigkeit vorliegende 53Cr(I = 3/2)-Isotop kompliziert jedoch das ursprüngliche Ein-Linienspektrum mit einem Hyperfein-(HF)-Quartett. Die Niederfeld-HF-Komponenten behindern häufig (immer) Messungen von schwachen Spektren im Bereich um g = 2,0023. Auf der Grundlage einer 52Cr-Ionenimplantation in 6 N reiner Mg-Folie wird eine Methode angegeben, die das HF-Spektrum eliminiert. Das resultierende MgO: 52Cr3+-Pulver zeigt nur eine schmale Linie, dessen ESR-Analyse zeigt, daß sie ein sehr geeigneter Marker ist. Bezüglich der physikalischen Eigenschaften des 52Cr3+-Ions tritt eine schwach asymmetrische Linien-form auf, die bei höheren Beobachtungsfrequenzen und/oder niedrigeren T ausgeprägter ist. Daraus wird die Existenz eines nicht vernachlässigbaren ußS3 B-Terms im effektiven Spin-Hamiltonian von Cr3+-Störstellen auf Plätzen mit kubischer Symmetrie in MgO abgeleitet. Unabhängige Messungen von u(T) und g(T) (g ist der isotrope spektroskopische Zeeman-Aufspaltungsfaktor) zeigen, daß beide Größen eine identische T-Abhängigkeit aufweisen, die von der impliziten thermischen Gitterausdehnung (d. h., u, und g ∝ d5, d ist der Abstand des Cr3+-Platzes zum nächsten Sauerstoffnachbarn). Dieses Ergebnis, das mit früheren Ergebnissen nicht übereinstimmt, befindet sich in Übereinstimmung mit einem simplen Kristallfeldmodell. Ebenfalls in Übereinstimmung mit diesem Modell werden keine g-Anisotropien beobachtet.