J. Phys. France 41, 1213-1223 (1980)
DOI: 10.1051/jphys:0198000410100121300

Yb3+ in RAlO3 (R = Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er). A 170 Yb Mössbauer effect study of the hyperfine parameters, magnetic ordering and relaxation

P. Bonville, J.A. Hodges et P. Imbert

DPh-G/PSRM, C.E.N. Saclay, Boîte Postale N° 2, 91190 Gif sur Yvette, France

Abstract
170Yb Mössbauer measurements have been made on Yb3+ substituted in RAlO3 (R = Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er) and complement our previous study on R = Tm, Yb and Y (Phys. Rev. B 18 (1978) 2196). In all cases the Yb3+ presents a well isolated crystal field ground doublet with Ising-like characteristics. For the non magnetic lattice EuAlO3 we establish the Yb3+ ground state wave function (from Mössbauer and EPR measurements) and we also examine phonon driven relaxation. The remaining host lattices have widely differing intrinsic magnetic properties so that the Yb3+ experiences a number of different magnetic environments. By studying the lineshapes both above and below TN we obtain information concerning the Yb3+-host lattice magnetic interactions (influence of magnetic ordering and spin-spin cross relaxation). The contributions of dipole-dipole coupling to the paramagnetic cross-relaxation rates were calculated for Yb3+ in the Kramers ion host lattices. For Yb 3+ in DyAlO3 the dipole-dipole interaction accounts for the major part of the measured rate (1.0 x 109 s-1) whereas the measured rates for Yb3+ in EuAlO3 and GdAlO 3 (3.0 and 4.3 x 1010 s-1) are chiefly due to the exchange interaction. Temperature dependent Yb3+ spin-spin cross-relaxation rates are observed both in ErAlO3 -probably due to short range ordering - and in the two-singlet ground state system HoAlO3 following thermal depopulation of the upper singlet.

Résumé
Nous avons effectué des mesures par effet Mössbauer sur 170Yb dilué dans RAlO3 (R = Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er), qui complètent notre étude antérieure avec R = Tm, Yb et Y (Phys. Rev. B 18 (1978) 2196). Dans tous les cas l'ion Yb3+ présente un doublet fondamental de champ cristallin bien isolé et extrêmement anisotrope (Ising). Pour la matrice non magnétique EuAlO3 nous donnons la fonction d'onde du niveau fondamental (à partir des mesures par effet Mössbauer et par RPE) et nous examinons la relaxation de spin due aux interactions avec les phonons. Les autres réseaux présentent des propriétés magnétiques intrinsèques très différentes, de sorte que l'ion Yb3+ y subit des interactions magnétiques de nature variée. A partir d'une analyse des formes de raies obtenues à la fois au-dessus et au-dessous de T N, nous examinons les interactions magnétiques entre l'ion Yb 3+ et les ions du réseau (influence de l'ordre magnétique et de la relaxation croisée spin-spin). La contribution du couplage dipole-dipole à la relaxation paramagnétique croisée a été calculée pour Yb3+ dans les matrices où R est un ion de Kramers. Pour Yb3+ dans DyAlO3, l'interaction dipolaire donne la contribution dominante à la fréquence de relaxation mesurée (1,0 x 109 s-1), alors que les fréquences mesurées pour Yb3+ dans ErAlO3 et GdAlO3 (3,0 et 4,3 x 1010 s-1) sont dues principalement à l'interaction d'échange. Nous avons observé une dépendance en température des fréquences de relaxation croisée due à l'interaction spin-spin pour Yb3+ dans ErAlO 3 - causée probablement par un ordre à courte distance - et dans le composé avec deux singulets fondamentaux HoAlO3, à la suite du dépeuplement thermique du singulet supérieur.

PACS
7170C - Crystal and ligand fields.
7630K - Rare-earth ions and impurities.
7680 - Mössbauer effect; other gamma-ray spectroscopy.

Key words
crystal hyperfine field interactions -- dysprosium compounds -- erbium compounds -- europium compounds -- gadolinium compounds -- holmium compounds -- magnetic structure -- Mossbauer effect -- paramagnetic resonance of rare earth ions and impurities -- rare earth compounds -- spin spin relaxation -- terbium compounds