J. Phys. France 30, 389-400 (1969)
DOI: 10.1051/jphys:01969003004038900

Étude d'ions des métaux de transition dans Al2O3 à l'aide de mesures de conductibilité thermique à basses températures

A.M. De Goer

Service de Physico-Chimie et Basses Températures, C.E.N., Grenoble

Abstract
Thermal conductivity measurements on Al2O3 single crystals doped with chromium, iron, manganese or vanadium have been performed between 1.3 and 150 °K. A good fit for the curves was obtained by Callaway's method and allowed a precise identification of the usual diffusion processes (boundaries, impurities, phonon-phonon interaction). Additional terms of diffusion due to transition metal ions were determined by difference. Cr 3+ and Fe3+ ions act as mere point defects (τ-1 = Aω4). Resonant absorption of phonons by Mn 3+ and Cr2+ ions are described by a phenomenological relaxation time : τ-1 = D0ω4/(ω 2 - ω20)2 + D1ω 4/(ω2 - ω21)2 . The values of the resonance temperatures T0 = 12 °K, T1 = 54 °K obtained in the case of Mn3+ are compatible with a level scheme of the ion supposed on a trigonal site. A defect present in the vanadium-doped sample gives a resonance at T0 = 53 °K.

Résumé
Des mesures de conductibilité thermique ont été effectuées de 1,3 à 150 °K sur des monocristaux de Al2O3 dopés au chrome, au fer, au manganèse ou au vanadium. L'analyse quantitative des courbes a pu être poussée assez loin par la méthode de Callaway. On a pu identifier avec précision les processus de diffusion usuels (frontières du cristal, impuretés, interactions phonons-phonons) . Par différence, les termes de diffusion supplémentaires dus aux ions des métaux de transition ont été obtenus. Les ions Cr3+ et Fe3+ agissent comme de simples défauts ponctuels (τ-1 = Aω4). Les absorptions résonnantes de phonons dues aux ions Mn3+ et Cr 2+ sont décrites par un temps de relaxation phénoménologique : τ-1 = D0ω4/(ω2 - ω 20)2 + D1ω4/(ω 2 - ω21)2. Les valeurs des températures de résonance T0 = 12 °K, T 1 = 54 °K obtenues dans le cas de Mn3+ sont compatibles avec un schéma des niveaux de l'ion supposé en site trigonal. L'échantillon dopé au vanadium contient un défaut qui donne lieu à une résonance à T0 = 53 °K.

PACS
6670 - Nonelectronic thermal conduction and heat-pulse propagation in solids; thermal waves.
6172W - Doping and impurity implantation in other materials.

Key words
aluminium compounds -- chromium -- crystal impurities -- iron -- manganese -- thermal conductivity of solids -- vanadium