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1
2 Re: BC11912
3     Combined ab initio and classical potential simulation study on the
4     silicon carbide precipitation in silicon
5     by F. Zirkelbach, B. Stritzker, K. Nordlund, et al.
6
7 and
8
9 Re: BA11443
10     First-principles study of defects in carbon-implanted silicon
11     by F. Zirkelbach, B. Stritzker, J. K. N. Lindner, et al.
12
13
14
15 Dear Dr. Dahal,
16
17 thank you for the feedback to our submission.
18
19 > We look forward to receiving such a comprehensive manuscript. When you
20 > resubmit, please include a summary of the changes made, and a detailed
21 > response to all recommendations and criticisms.
22
23 We decided to follow your's and the referee's suggestion to merge the
24 two manuscripts into a single comprehensive manuscript.
25
26 Please find below the summary of changes and a detailed response to
27 the recommendations of the referee.
28
29 Most of the criticism is pasted from the previous review justified by
30 the accusation that we did ignore or not adequatley answered them.
31 However, we did comment on every single issue and a more adequate
32 answer is hindered if the referee does not specify the respective
33 points of criticism. Thus, some responses are identical to these
34 included of our previous answer.
35
36 Sincerely,
37
38 Frank Zirkelbach
39
40
41 --------------- Response to recommendations ----------------
42
43 > I am not happy with these two papers for a multitude of reasons,
44 > and I recommend that the authors rewrite them as a single longer
45 > paper, to eliminate the criticism of serial publication. I do not
46 > accept the authors argument that they should be two papers ­ they
47 > address the same issues, using the same methods. If they were to
48 > be split into two papers, it would be one for the VASP
49 > calculations, and one for the MD ­ this is not how I suggest you
50 > do it, though.
51
52 We now combined the two manuscripts into a single comprehensive one.
53
54 > do it, though. First, though, the following issues should be
55 > addressed (some are simply pasted from my previous reviews, where
56 > I feel that the authors have ignored them, or not responded
57 > adequately).
58 >
59 > 1. I feel that the authors are a bit too convinced by their own
60 > calculations.  They do not state the error bars that would be
61 > expected for calculations like this +/- 0.2 eV would be a very
62 > optimistic estimate, I suggest. That being so, many of their
63 > conclusions on which structure or migration routes are most
64 > likely start to look rather less certain.
65
66 Although differences of 0.2 eV in DFT calculations would generally be
67 acknowledged to be insignificant when being compared to experimental
68 results or data of other ab initio studies, these differences are
69 considered to be reliable when comparing results, i.e. differences in
70 energy, of a systematic study among each other. This is commonly done
71 as can be seen in a great deal of literature, some of which is cited
72 in the section of the present manuscript that investigates defect
73 structures and formation energies. Very often differences less than
74 0.2 eV are obtained and conclusions on the stability of a particular
75 structure are derived.
76
77 > 2. Why is 216 atoms a large enough supercell ­ many defect
78 > properties are known to converge very slowly with supercell size.
79 > They appear to be separating defects by as large a distance as
80 > can be accommodated in the supercell to approximate the isolated
81 > defects, but then they are only separated by a few lattice
82 > spacings from a whole array of real and image defects ­ how does
83 > that compare with taking the energies of each defect in a
84 > supercell.
85
86 Choosing a 216 atom supercell constitutes a tradeoff, of course.
87 However, it is considered the optimal choice with respect to both,
88 computing time and accuracy of the results.
89
90 The convergence of the formation energies of single defects with
91 respect to the size of the supercell is ensured. For this reason, they
92 are referred to as single isolated defects.
93
94 It is not our purpose to separate defects by a large distance in order
95 to approximate the situation of isolated defects. However, we find
96 that for increasing defect distance configurations appear, which
97 converge to the energetics of two isolated defects. This is indicated
98 by the (absolute value of the) binding energy, which is approaching
99 zero with increasing distance. From this, we conclude a decrease in
100 interaction, which is already observable for defect separation
101 distances accessible in our simulations. This is stated now more
102 clearly in section II of the revised manuscript. (-> Change 6)
103
104 Nevertheless, the focus is on closely neighbored, interacting defects
105 (for which an interaction with their own image is, therefore, supposed
106 to be negligible, too). At no time, our aim was to investigate single
107 isolated defect structures and their properties by increasing the
108 separation distance of two defects belonging to a a defect
109 combination.
110
111 A note is added to let the reader know that convergence with respect
112 to the system size is ensured. (-> Change 2)
113
114 > 3. Constant pressure solves some problems, but creates others ­
115 > is it really a sensible model of implantation? What differences
116 > are seen for constant volume calculations (on a few simple
117 > examples, say)?
118
119 In experiment substrate swelling is observed for high-dose carbon
120 implantation into silicon. Indeed, using the NpT ensemble for
121 calculations of a single (double) C defect in Si is questionable.
122 However, only small changes in volume were observed and, thus, it is
123 assumed that there is no fundamental difference between calculations
124 in the canonical and isothermal-isobaric ensemble.
125
126 Constant volume calculations were not performed and, thus, we cannot
127 provide concrete differences.
128
129 The fact that there are only small changes in volume is added to the
130 methodology section. (-> Change 3)
131
132 > 4. What method do they use to determine migration paths? How can
133 > they convince us that the calculations cover all possible
134 > migrations paths ­ that is, the paths they calculate are really
135 > the lowest energy ones?  This is a major issue ­ there are a
136 > number of methods used in the literature to address it ­ are the
137 > authors aware of them? Have they used one of them?
138
139 A slightly modified version of the constrained conjugate gradient
140 relaxation method is used. It is named in the very beginning of the
141 second part of chapter II and a reference is given. Although, in
142 general, the method not necessarily unveils the lowest energy
143 migration path it gives reasonable results for the specific system.
144 This can be seen for the resulting pathway of C interstitial DB
145 migration, for which the activation energy perfectly matches
146 experimental data.
147
148 For clarity we added a statement, however, that of course the true
149 minimum energy path may still be missed. (-> Change 4)
150
151 > 5. I have some serious reservations about the methodology
152 > employed in the MD calculations. The values given for the basic
153 > stabilities and migration energies in some cases disagree
154 > radically with those calculated by VASP, which I would argue
155 > (despite 4 above) to be the more reliable values. The main
156 > problems is the huge over-estimate of the C interstitial
157 > migration energy (a process which is at the heart of the
158 > simulations) using the potential used in the paper. I am not
159 > convinced that the measures they take to circumvent the problems
160 > in the method do not introduce further uncertainties, and I would
161 > need a bit more convincing that the results are actually valid.
162 > The authors' circumvention of this is to do the simulations at
163 > much heightened temperatures.  However, this only gives a good
164 > model of the system if all cohesive and migration energies are
165 > over-estimated by a similar factor, which is demonstratably
166 > untrue in this case. For this reason, despite the reputation and
167 > previous work with Tersoff (and similar) potentials, the results
168 > need a critical scrutiny, which I am not very convinced by in
169 > this case.
170
171 There is not necessarily a correlation of cohesive energies or defect
172 formation energies with activation energies for migration. Cohesive
173 energies are most often well described by the classical potentials
174 since these are most often used to fit the potential parameters. The
175 overestimated barriers, however, are due to the short range character
176 of these potentials, which drop the interaction to zero within the
177 first and next neighbor distance using a special cut-off function.
178 Since the total binding energy is 'accommodated' within this short
179 distance, which according to the universal energy relation would
180 usually correspond to a much larger distance, unphysical high forces
181 between two neighbored atoms arise. This is explained in detail in the
182 study of Mattoni et. al. (Phys. Rev. B 76, 224103 (2007)).
183
184 Since most of the defect structures show atomic distances below the
185 critical distance, for which the cut-off function is taking effect,
186 the respective formation energies are quite well described, too (at
187 least they are not necessarily overestimated in the same way).
188
189 While the properties of some structures near the equilibrium position
190 are well described, the above mentioned effects increase for
191 non-equilibrium structures and dynamics. Thus, for instance, it is not
192 surprising that short range potentials show overestimated melting
193 temperatures. This is not only true for the EA but also (to an even
194 larger extent) for Tersoff potentials, one of the most widely used
195 classical potentials for the Si/C system. The fact that the melting
196 temperature is drastically overestimated although the cohesive
197 energies are nicely reproduced indicates that there is no reason why
198 the cohesive and formational energies should be overestimated to the
199 same extent in order to legitimate the increase in temperature to
200 appropriately consider the overestimated barrier heights for
201 diffusion.
202
203 Indeed, a structural transformation with increasing temperature is
204 observed, which can be very well explained and correlated to
205 experimental findings.
206
207 The underestimated energy of formation of substitutional C for the EA
208 potential does not pose a problem in the present context. Since we
209 deal with a perfect Si crystal and the number of particles is
210 conserved, the creation of substitutional C is accompanied by the
211 creation of a Si interstitial.  The formation energies of the
212 different structures of an additional C atom incorporated into
213 otherwise perfect Si shows the same ground state, i.e. the C-Si 100 DB
214 structure, for classical potential as well as ab initio calculations.
215
216 The arguments discussed above are now explained in more detail in the
217 revised version of our work. (-> Change 1, Change 2)
218