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authorhackbard <hackbard@sage.physik.uni-augsburg.de>
Mon, 4 Oct 2010 16:15:18 +0000 (18:15 +0200)
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index 278bc3c804fc35a2108c4212e3648c0ad270a202..f4aa4bf8a6aa176a397c2fd60d983404b7a5e81e 100644 (file)
@@ -27,7 +27,7 @@
 
 \begin{abstract}
 Atomistic simulations on the silicon carbide precipitation in bulk silicon employing both, classical potential and first-principles methods are presented.
-For the quantum-mechanical treatment basic processes assumed in the precipitation process are mapped to feasible systems of small size.
+For the quantum-mechanical treatment basic processes assumed in the precipitation process are calculated in feasible systems of small size.
 Results of the accurate first-principles calculations on defects and carbon diffusion in silicon are compared to results of classical potential simulations revealing significant limitations of the latter method.
 An approach to work around this problem is proposed.
 Finally results of the classical potential molecular dynamics simulations of large systems are discussed.
@@ -48,7 +48,7 @@ Different modifications of SiC exist, which solely differ in the one-dimensional
 Different polytypes exhibit different properties, in which the cubic phase of SiC (3C-SiC) shows increased values for the thermal conductivity and breakdown field compared to other polytypes\cite{wesch96}, which is, thus, most effective for high-performance electronic devices.
 Much progress has been made in 3C-SiC thin film growth by chemical vapor deposition (CVD) and molecular beam epitaxy (MBE) on hexagonal SiC\cite{powell90,fissel95,fissel95_apl} and Si\cite{nishino83,nishino87,kitabatake93,fissel95_apl} substrates.
 However, the frequent occurrence of defects such as twins, dislocations and double position boundaries remains a challenging problem. 
-Next to these methods, high-dose carbon implantation into crystalline silicon (c-Si) with subsequent or in situ annealing was found to result in SiC microcrystallites in Si\cite{borders71}.
+Apart from these methods, high-dose carbon implantation into crystalline silicon (c-Si) with subsequent or in situ annealing was found to result in SiC microcrystallites in Si\cite{borders71}.
 Utilized and enhanced, ion beam synthesis (IBS) has become a promising method to form thin SiC layers of high quality and exclusively of the 3C polytype embedded in and epitactically aligned to the Si host featuring a sharp interface\cite{lindner99,lindner01,lindner02}.
 
 However, only little is known about the SiC conversion in C implanted Si.
@@ -60,7 +60,8 @@ Coherency is lost once the increasing strain energy of the stretched SiC structu
 These two different mechanisms of precipitation might be attributed to the respective method of fabrication.
 While in CVD and MBE surface effects need to be taken into account, SiC formation during IBS takes place in the bulk of the Si crystal.
 However, in another IBS study Nejim et~al.\cite{nejim95} propose a topotactic transformation that is likewise based on the formation of substitutional C.
-The formation of substitutional C, however, is accompanied by Si self-interstitial atoms that previously occupied the lattice sites and concurrently by a reduction of volume due to the lower lattice constant of SiC compared to Si.
+%The formation of substitutional C, however, is accompanied by Si self-interstitial atoms that previously occupied the lattice sites and concurrently by a reduction of volume due to the lower lattice constant of SiC compared to Si.
+The formation of substitutional C, however, is accompanied by Si self-interstitial atoms that previously occupied the lattice sites and a concurrent reduction of volume due to the lower lattice constant of SiC compared to Si.
 Both processes are believed to compensate one another.
 
 Solving this controversy and understanding the effective underlying processes will enable significant technological progress in 3C-SiC thin film formation driving the superior polytype for potential applications in high-performance electronic device production.
@@ -76,7 +77,8 @@ Until recently\cite{lucas10}, a parametrization to describe the C-Si multicompon
 All these potentials are short range potentials employing a cut-off function,  which drops the atomic interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
 In a combined ab initio and empirical potential study it was shown that the Tersoff potential properly describes binding energies of combinations of C defects in Si\cite{mattoni2002}.
 However, investigations of brittleness in covalent materials\cite{mattoni2007} identified the short range character of these potentials to be responsible for overestimated forces necessary to snap the bond of two neighbored atoms.
-In a previous study\cite{zirkelbach10a} we approved explicitly the influence on the migration barrier for C diffusion in Si.
+%In a previous study\cite{zirkelbach10a} we approved explicitly the influence on the migration barrier for C diffusion in Si.
+In a previous study\cite{zirkelbach10a} we determined the influence on the migration barrier for C diffusion in Si.
 Using the Erhart/Albe (EA) potential\cite{albe_sic_pot}, an overestimated barrier height compared to ab initio calculations and experiment is obtained.
 A proper description of C diffusion, however, is crucial for the problem under study.
 
@@ -101,12 +103,12 @@ Reproducing the SiC precipitation was attempted by the successive insertion of 6
 At constant temperature 10 atoms were inserted at a time.
 Three different regions within the total simulation volume were considered for a statistically distributed insertion of the C atoms: $V_1$ corresponding to the total simulation volume, $V_2$ corresponding to the size of the precipitate and $V_3$, which holds the necessary amount of Si atoms of the precipitate.
 After C insertion the simulation has been continued for \unit[100]{ps} and is cooled down to \unit[20]{$^{\circ}$C} afterwards.
-A Tersoff-like bond order potential by Erhart and Albe (EA)\cite{albe_sic_pot} has been utilized, which accounts for nearest neighbor interactions only realized by a cut-off function dropping the interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
+A Tersoff-like bond order potential by Erhart and Albe (EA)\cite{albe_sic_pot} has been utilized, which accounts for nearest neighbor interactions realized by a cut-off function dropping the interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
 The potential was used as is, i.e. without any repulsive potential extension at short interatomic distances.
 Constant pressure simulations are realized by the Berendsen barostat\cite{berendsen84} using a time constant of \unit[100]{fs} and a bulk modulus of \unit[100]{GPa} for Si.
-The temperature is kept constant by the Berendsen thermostat\cite{berendsen84} with a time constant of \unit[100]{fs}.
-Integration of the equations of motion is realized by the velocity Verlet algorithm\cite{verlet67} and a fixed time step of \unit[1]{fs}.
-For structural relaxation of defect structures the same algorithm is used with the temperature set to 0 K.
+The temperature was kept constant by the Berendsen thermostat\cite{berendsen84} with a time constant of \unit[100]{fs}.
+Integration of the equations of motion was realized by the velocity Verlet algorithm\cite{verlet67} and a fixed time step of \unit[1]{fs}.
+For structural relaxation of defect structures the same algorithm was used with the temperature set to 0 K.
 
 The formation energy $E-N_{\text{Si}}\mu_{\text{Si}}-N_{\text{C}}\mu_{\text{C}}$ of a defect configuration is defined by choosing SiC as a particle reservoir for the C impurity, i.e. the chemical potentials are determined by the cohesive energies of a perfect Si and SiC supercell after ionic relaxation.
 Migration and recombination pathways have been investigated utilizing the constraint conjugate gradient relaxation technique\cite{kaukonen98}.
@@ -125,7 +127,7 @@ Table~\ref{tab:defects} summarizes the formation energies of relevant defect str
  Erhart/Albe & 3.88 & 0.75 & 5.18 & 5.59$^*$ & 4.39 & 3.40
 \end{tabular}
 \end{ruledtabular}
-\caption{Formation energies of C and Si point defects in c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volt. T denotes the tetrahedral and BC the bond-centered configuration. Subscript i and s indicates the interstitial and substitutional configuration. Dumbbell configurations are abbreviated by DB. Formation energies for unstable configurations obtained by classical potential MD are marked by an asterisk and determined by using the low kinetic energy configuration shortly before the relaxation into the more favorable configuration starts.}
+\caption{Formation energies of C and Si point defects in c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volts. T denotes the tetrahedral and BC the bond-centered configuration. Subscript i and s indicates the interstitial and substitutional configuration. Dumbbell configurations are abbreviated by DB. Formation energies for unstable configurations obtained by classical potential MD are marked by an asterisk and determined by using the low kinetic energy configuration shortly before the relaxation into the more favorable configuration starts.}
 \label{tab:defects}
 \end{table*}
 Although discrepancies exist, both methods depict the correct order of the formation energies with regard to C defects in Si.
@@ -180,7 +182,7 @@ Results of VASP and EA calculations are summarized in Table~\ref{tab:defect_comb
  Erhart/Albe & 3.88 & 4.93 & 5.25$^{\text{a}}$/5.08$^{\text{b}}$/4.43$^{\text{c}}$
 \end{tabular}
 \end{ruledtabular}
-\caption{Formation energies of defect configurations of a single C impurity in otherwise perfect c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volt. T denotes the tetrahedral and the subscripts i and s indicate the interstitial and substitutional configuration. Superscripts a, b and c denote configurations of C$_{\text{s}}$ located at the first, second and third nearest neighbored lattice site with respect to the Si$_{\text{i}}$ atom.}
+\caption{Formation energies of defect configurations of a single C impurity in otherwise perfect c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volts. T denotes the tetrahedral and the subscripts i and s indicate the interstitial and substitutional configuration. Superscripts a, b and c denote configurations of C$_{\text{s}}$ located at the first, second and third nearest neighbored lattice site with respect to the Si$_{\text{i}}$ atom.}
 \label{tab:defect_combos}
 \end{table}
 Obviously the EA potential properly describes the relative energies of formation.