Fluorapatite containing 1.2(2) wt% Gd 2 O 3 (sample AP30-1), synthesized from a CaF 2 -rich melt in a Pt crucible, has been investigated by single-crystal W-band (~94 GHz) electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy and X-ray structure refinement. The EPR spectrum of AP30-1 measured at ~287 K, with Zeeman field B // z' and microwave field B // x', gave a Gd site-occupancy ratio ( Ca2 Gd/ Ca1 Gd) of 1.4(4), indicating a weak preference between the two types of Ca sites. Similarly, X-ray refinement of the structure of AP30-1 suggests that Gd is essentially equally distributed between the two Ca sites:
Ca2Gd/ Ca1 Gd = 0.8(2), although the Gd content in this sample is close to the practical limit of detection of this method. This agreement between the W-band EPR and X-ray structural data confirms that EPR is capable of determining the distribution of paramagnetic trace elements between structurally nonequivalent positions in minerals. X-ray refinement of the structure of another sample of fluorapatite [AP40-0, containing 2.9(1) wt% Gd 2 O 3 ] synthesized in a sealed Pt capsule, yielded a
Ca2Gd/ Ca1 Gd value of 3.1(6), indicating a marked preference for the Ca2 site, consistent with the site preference of Gd in hydrothermally grown Gd-rich fluorapatite. The marked preference of Gd for the Ca1 site observed in previous EPR studies of flux-grown fluorapatite samples [AP30-0, 0.8(1) ppm Gd and Ca2 Gd/ Ca1 Gd = 0.13; AP30-5, 57(4) ppm Gd and Ca2 Gd/ Ca1 Gd = 0.20] is now attributed to the presence of Ca 2+ vacancies at ppm concentrations in these crystals. These point defects are unlikely to reach appreciable (weight %) concentrations in fluorapatite crystals synthesized from CaF 2 -rich melts, and hence the normal preference of Gd for the Ca2 site in AP30-1 and AP40-0.Keywords: gadolinium, fluorapatite, single-crystal W-band EPR, X-ray structure refinement, site preference, substitution mechanisms, point defects.
SOMMAIRENous avons étudié un monocristal de fluorapatite contenant 1.2(2)% Gd 2 O 3 par poids (AP30-1), synthétisé à partir d'un bain fondu de CaF 2 dans un récipient en platine, au moyen de la résonance paramagnétique des électrons (RPE) dans la bande W (~94 GHz) et par affinement de la structure par diffraction X. Le spectre RPE de AP30-1, mesuré à ~287 K, avec un champ Zeeman B // z' et un champ micro-onde B // x', indique un rapport de l'occupation des sites Ca par le Gd ( une légère différence en préférence entre les deux sortes de sites Ca. De même, l'affinement de la structure de AP30-1 montre que le Gd serait réparti essentiellement également entre les deux sites:
Ca2Gd/ Ca1 Gd = 0.8(2), quoique la teneur en Gd dans cet échantillon se rapproche de la limite de détection de cette méthode. Cette concordance entre la bande W du spectre RPE et les données sur la structure confirme que la spectroscopie RPE constitue un moyen révélateur pour déterminer la distribution des éléments traces paramagnétiques distribués sur des sites non-équivalents des minéraux. L'affinement de la structure d'un aut...