rough finish of inc temp sims
[lectures/latex.git] / posic / thesis / md.tex
index 4a7524e..d82defc 100644 (file)
@@ -286,7 +286,7 @@ Structures that look promising due to high quality values need to be further inv
 \includegraphics[width=12cm]{tot_pc_thesis.ps}\\
 \includegraphics[width=12cm]{tot_ba.ps}
 \end{center}
-\caption[Si-C radial distribution and quality evolution for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{Si-C radial distribution and quality evolution for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$. The grey line shows resulting Si-C bonds in a configuration if substitutional C in c-Si (C$_\text{sub}$) at zero temperature. Arrows in the quality plot mark the end of carbon insertion and the start of the cooling down step.}
+\caption[Si-C radial distribution and quality evolution for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{Si-C radial distribution and quality evolution for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$. The grey line shows resulting Si-C bonds in a configuration of substitutional C in c-Si (C$_\text{sub}$) at zero temperature. Arrows in the quality plot mark the end of carbon insertion and the start of the cooling down step. A fit function according to equation \eqref{eq:md:fit} shows the estimated evolution of quality in the absence of the cooling down sequence.}
 \label{fig:md:tot_si-c_q}
 \end{figure}
 Figure \ref{fig:md:tot_si-c_q} shows the radial distribution of Si-C bonds for different temperatures and the corresponding quality evolution as defined earlier for the low concentration simulaton, that is the $V_1$ simulation.
@@ -300,19 +300,105 @@ Investigations of the atomic data reveal substitutional carbon to be responsible
 The peak at 0.197 nm corresponds to the distance of a substitutional carbon to the next neighboured silicon atoms.
 The one at 0.372 is the distance of the substitutional carbon atom to the second next silicon neighbour along the \hkl<1 1 0> direction.
 Comparing the radial distribution for the Si-C bonds at $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ to the resulting Si-C bonds in a configuration of a substitutional carbon atom in crystalline silicon excludes all possibility of doubt.
-The resulting bonds perfectly match and, thus, explain the peaks observe for the increased temperature simulations.
+The resulting bonds perfectly match and, thus, explain the peaks observed for the increased temperature simulations.
 To conclude, by increasing the simulation temperature, the \hkl<1 0 0> C-Si dumbbell characterized structure transforms into a structure dominated by substitutional C.
 
-This is also reflected in the qualities obtained for different temperatures.
+This is also reflected in the quality values obtained for different temperatures.
+While simulations at $450\,^{\circ}\mathrm{C}$ exhibit 10 \% of fourfold coordinated carbon simulations at $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ exceed the 80 \% range.
+Since substitutional carbon has four next neighboured silicon atoms and is the preferential type of defect in elevated temperature simulations the increase of the quality values become evident.
+The quality values at a fixed temperature increase with simulation time.
+After the end of the insertion sequence marked by the first arrow the quality is increasing and a saturation behaviour, yet before the cooling process starts, can be expected.
+The evolution of the quality value of the simulation at $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ inside the range in which the simulation is continued at constant temperature for 100 fs is well approximated by the simple fit function
+\begin{equation}
+f(t)=a-\frac{b}{t} \text{ ,}
+\label{eq:md:fit}
+\end{equation}
+which results in a saturation value of 93 \%.
+Obviously the decrease in temperature accelerates the saturation and inhibits further formation of substitutional carbon.
+Conclusions drawn from investigations of the quality evolution correlate well with the findings of the radial distribution results.
 
 \begin{figure}[!ht]
 \begin{center}
 \includegraphics[width=12cm]{tot_pc2_thesis.ps}\\
 \includegraphics[width=12cm]{tot_pc3_thesis.ps}
 \end{center}
-\caption[C-C and Si-Si radial distribution for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{C-C and Si-Si radial distribution for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.}
+\caption[C-C and Si-Si radial distribution for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{C-C and Si-Si radial distribution for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$. Arrows with dashed lines mark C-C distances of \hkl<1 0 0> dumbbell combinations and those with solid lines mark C-C distances of combinations of substitutional C. The dashed line corresponds to the distance of a substitutional C with a next neighboured \hkl<1 0 0> dumbbell.}
 \label{fig:md:tot_c-c_si-si}
 \end{figure}
+The formation of substitutional carbon also affects the Si-Si radial distribution displayed in the lower part of figure \ref{fig:md:tot_c-c_si-si}.
+Investigating the atomic strcuture indeed shows that the peak arising at 0.325 nm with increasing temperature is due to two Si atoms directly bound to a C substitutional.
+It corresponds to the distance of second next neighboured Si atoms along a \hkl<1 1 0>-equivalent direction with substitutional C inbetween.
+Since the expected distance of these Si pairs in 3C-SiC is 0.308 nm the existing SiC structures embedded in the c-Si host are stretched.
+
+In the upper part of figure \ref{fig:md:tot_c-c_si-si} the C-C radial distribution is shown.
+With increasing temperature a decrease of the amount of next neighboured C pairs can be observed.
+This is a promising result gained by the high temperature simulations since the breaking of these diomand and graphite like bonds is mandatory for the formation of 3C-SiC.
+A slight shift towards higher distances can be observed for the maximum above 0.3 nm.
+Arrows with dashed lines mark C-C distances resulting from \hkl<1 0 0> dumbbell combinations while the arrows with the solid line mark distances arising from combinations of substitutional C.
+The continuous dashed line corresponds to the distance of a substitutional C with a next neighboured \hkl<1 0 0> dumbbell.
+By comparison with the radial distribution it becomes evident that the shift accompanies the advancing transformation of \hkl<1 0 0> dumbbells into substitutional C.
+Next to combinations of two substitutional C atoms and two \hkl<1 0 0> dumbbells respectively also combinations of \hkl<1 0 0> dumbbells with a substitutional C atom arise.
+In addition, structures form that result in distances residing inbetween the ones obtained from combinations of mixed defect types and the ones obtained by substitutional C configurations, as can be seen by quite high g(r) values to the right of the continuous dashed line and to the left of the first arrow with a solid line.
+For the most part these structures can be identified as configurations of one substitutional C atom with either another C atom that practically occupies a Si lattice site but with a Si interstitial residing in the very next surrounding or a C atom that nearly occupies a Si lattice site forming a defect other than the \hkl<1 0 0>-type with the Si atom.
+Again, this is a quite promising result, since the C atoms are taking the appropriate coordination as expected in 3C-SiC.
+However, this is contrary to the initial precipitation model proposed in section \ref{section:assumed_prec}, which assumes that the transformation into 3C-SiC takes place in a very last step once enough C-Si dumbbells agglomerated.
+
+{\color{red}Todo: Summarize again! Mention, that the agglomeration necessary in order to form 3C-SiC is missing.}
+
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{12_pc_thesis.ps}\\
+\includegraphics[width=12cm]{12_pc_c_thesis.ps}
+\end{center}
+\caption[Si-C and C-C radial distribution for the high concentration simulations at different elevated temperatures.]{Si-C (top) and C-C (bottom) radial distribution for the high concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.}
+\label{fig:md:12_pc}
+\end{figure}
+Figure \ref{fig:md:12_pc} displays the radial distribution for Si-C and C-C pairs obtained from high C concentration simulations at different elevated temperatures.
+Again, in both cases, the cut-off artifact decreases with increasing temperature.
+Peaks that already exist for the low temperature simulations get slightly more distinct for elevated temperatures.
+This is also true for peaks located past distances of next neighbours indicating an increase for the long range order.
+However this change is rather small and no significant structural change is observeable.
+Due to the continuity of high amounts of damage investigations of atomic configurations below remain hard to identify even for the highest temperature.
+Other than in the low concentration simulations analyzed defect structures are no longer necessarily aligned to the primarily existing but succesively disappearing c-Si host matrix inhibiting or at least hampering their identification and classification.
+As for low temperatures order in the short range exists decreasing with increasing distance.
+The increase of the amount of Si-C pairs at 0.186 nm could be positively interpreted since this type of bond also exists in 3C-SiC.
+On the other hand the amount of next neighboured C atoms with a distance of approximately 0.15 nm, which is the distance of C in graphite or diamond, is likewise increased.
+Thus, higher temperatures seem to additionally enhance a conflictive process, that is the formation of C agglomerates, instead of the desired process of 3C-SiC formation.
+This is supported by the C-C peak at 0.252 nm, which corresponds to the second next neighbour distance in the diamond structure of elemental C.
+Investigating the atomic data indeed reveals two C atoms which are bound to and interconnect by a third C atom to be responsible for this distance.
+The C-C peak at about 0.31 nm, wich is slightly shifted to higher distances (0.317 nm) with increasing temperature still corresponds quite well to the next neighbour distance of C in 3C-SiC as well as a-SiC and indeed results from C-Si-C bonds.
+The Si-C peak at 0.282 nm, which is pronounced with increasing temperature is constructed out of a Si atom and a C atom, which are both bound to another central C atom.
+This is similar for the Si-C peak at approximately 0.35 nm.
+In this case, the Si and the C atom are bound to a central Si atom.
+
+Regarding these findings there is a clear evidence of the formation of an amorphous SiC-like phase for all high concentration simulations performed at various temperatures.
+No significant structural change is observed for elevated temperatures.
+However, with the disappearance of the peaks at the respective cut-off radii one limitation of the short range potential seems to be accomplished.
+In addition, sharper peaks in the radial distributions at distances that are also expected for a-SiC might indicate a slight acceleration of the dynamics carried out at elevated temperatures, that is an expeditious formation of a structure superiorly compareable to a-SiC.
+The increase in temperature leads to the occupation of new defect states, which is particularly evident for low carbon concentrations.
+The question remains whether these states are only occupied due to the additional supply of kinetic energy and, thus, have to be considered unnatural for temperatures applied in IBS or whether the increase in temperature indeed enabled infrequent transitions to occur much faster, thus, leading to the intended acceleration of the dynamics and weakening of the unphysical quirks inherent to the potential.
+{\color{red}Todo: Formation energy of C sub and nearby Si self-int, to see whether this is a preferable state!}
+In the first case these occupied states would be expected to be higher in energy than the states occupied at low temperatures.
+Since substitutional C without the presence of a Si self-interstitial is energetically more favorable than the lowest defect structure obtained without removing a Si atom, that is the \hkl<1 0 0> dumbbell interstitial, and the migration of Si self-interstitials towards the sample surface can be assumed for real life experiments \cite{}, this approach is accepted as an accelerated way of approximatively describing the structural evolution.
+{\color{red}Todo: If C sub and Si self-int is energetically more favorable, the migration towards the surface can be kicked out. Otherwise we should actually care about removal of Si! In any way these findings suggest a different prec model.}
+
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{fe_and_t.ps}
+\end{center}
+\caption{Free energy and temperature plot of plain silicon in the region around the transition temperature.}
+\label{fig:md:fe_and_t}
+\end{figure}
+The assumed applicability as discussed above and the remaining absence of either agglomeration of substitutional C in low concentration simulations or amorphous to crystalline transition in high concentration simulations suggests to further increase the system temperature.
+So far, the highest temperature applied corresponds to 95 \% of the absolute silicon melting temperature, which is 2450 K and specific to the Erhard/Albe potential.
+However, melting is not predicted to occur instantly after exceeding the melting point due to additionally required transition enthalpy and hysteresis behaviour.
+To check for the possibly highest temperature at which a transition fails to appear plain silicon is heated up using a heating rate of $1\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$.
+Figure \ref{fig:md:fe_and_t} shows the free energy and temperature evolution in the region around the transition temperature.
+Indeed a transition and the accompanying critical behaviour of the free energy is first observed at approximately 3125 K, which corresponds to 128 \% of the silicon melting temperature.
+The difference in free energy is 0.58 eV per atom corresponding to $55.7 \text{ kJ/mole}$, which compares quite well to the silicon enthalpy of melting of $50.2 \text{ kJ/mole}$.
+The late transition probably occurs due to the high heating rate and, thus, a large hysteresis behaviour extending the temperature of transition.
+To avoid melting transitions in further simulations system temperatures well below the transition point are considered safe.
+Thus, in the following system temperatures of 100 \% and 120 \% of the silicon melting point are used.
 
 \subsection{Constructed 3C-SiC precipitate in crystalline silicon}