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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 yours and the referee's suggestion to merge the
24 two manuscripts in 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 statement that we did ignore or not adequatley respond to it.
31 However, we commented 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 part of the response might be
34 identical to our previous one.
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 to 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 In literature, very often, differences less than 0.2 eV are obtained
67 in DFT studies and respective conclusions are derived. For instance,
68 differences in the energy of formation ranging from 0.05 - 0.12 eV are
69 considered significant enough to conclude on the energetically most
70 favorable intrinsic defect configurations in Si (PRB 68, 235205
71 (2003); PRL 83, 2351 (1999)).  This is due to the fact that existing
72 errors are most probably of the systematic rather than the random
73 type. The error in the estimate of the cohesive energy is canceled out
74 since it is likewise wrong in the defect as in the bulk configuration,
75 which are substracted in the expression of the defect formation
76 energy. Even if the defect formation energy is overestimated due to a
77 too small size of the supercell resulting in a non-zero interaction of
78 the defect with its images, this is likewise true for other defects.
79 Although the actual value might be wrong, observed differences in
80 energy, thus, allow to draw conlcusions on the stability of defect
81 configurations. This is also valid for diffusion barriers, which are
82 given by differences in energy of different structures.
83 In fact, differences of 0.2 eV in DFT calculations are considered
84 insignificant when being compared to experimental results or data of
85 other ab initio studies. However, the observed differences in energy
86 within our systematic DFT study are considered reliable.
87
88 > 2. Why is 216 atoms a large enough supercell - many defect
89 > properties are known to converge very slowly with supercell size.
90
91 Of course, choosing a supercell containing 216 atoms constitutes a
92 tradeoff. It is considered the optimal choice with respect to
93 computational efficiency and accuracy.
94
95 We would like to point out that, both, single defects as well as
96 combinations of two defects were investigated in such supercells in
97 successive calculations.
98
99 For single defects, the size of the supercell should be sufficient.
100 This is shown in PRB 58, 1318 (1998) predicting convergence of the
101 vacancy in silicon - the defect assumed to be most critical due to
102 the flatness of the total energy surface as a function of the ionic
103 coordinates - for supercells containing more than 128 atomic sites,
104 where the defect formation energy is already well estimated using
105 smaller supercells of 64 atomic sites. Thus, convergence of the
106 formation energies of single defects with respect to the size of the
107 supercell is assumed.
108
109 > They appear to be separating defects by as large a distance as
110 > can be accommodated in the supercell to approximate the isolated
111 > defects, but then they are only separated by a few lattice
112 > spacings from a whole array of real and image defects ­ how does
113 > that compare with taking the energies of each defect in a
114 > supercell.
115
116 Again, we would like to point out that it is not our purpose to
117 separate defects by a large distance in order to approximate the
118 situation of isolated defects. However, we find that for increasing
119 defect distances, configurations appear, which converge to the
120 energetics of two isolated defects. This is indicated by the (absolute
121 value of the) binding energy, which is approaching zero with
122 increasing distance. From this, we conclude a decrease in interaction,
123 which is already observable for defect separation distances accessible
124 in our simulations.
125
126 Nevertheless, the focus is on closely neighbored, interacting defects
127 (for which an interaction with their own image is, therefore, supposed
128 to be negligible, too). In fact, combinations of defects exhibiting
129 equivalent distances were successfully modeled in a supercell
130 containing 216 atoms in PRB 66, 195214 (2002). At no time, our aim was
131 to investigate single isolated defect structures and their properties
132 by a structure with increased separation distance of the two defects.
133
134 > 3. Constant pressure solves some problems, but creates others ­
135 > is it really a sensible model of implantation? What differences
136 > are seen for constant volume calculations (on a few simple
137 > examples, say)?
138
139 Differences are supposed to be negligible small since only small
140 changes in volume are detected. However, in experiment, substrate
141 swelling is observed. Thus, to allow for full relaxation, simulations
142 were performed in the NpT ensemble. However, for the above-mentioned
143 reason, no fundamental differences are expected for single defect
144 configurations in the canonical and isothermal-isobaric ensemble with
145 respect to energy.
146
147 A respective statement was added to the methodology section.
148
149 > 4. What method do they use to determine migration paths? How can
150 > they convince us that the calculations cover all possible
151 > migrations paths ­ that is, the paths they calculate are really
152 > the lowest energy ones?  This is a major issue ­ there are a
153 > number of methods used in the literature to address it ­ are the
154 > authors aware of them? Have they used one of them?
155
156 The constrained relaxation technique is used to determine migration
157 pathways. The method is named and a reference is given in the
158 methodology section. The method not necessarily unveils the lowest
159 energy migration path. The supposed saddle point structure needs to be
160 attested by investigating the vibrational modes. However, reasonable
161 results are obtained for the specific system. In fact, so far, the
162 best quantitative agreement with experimental findings has been
163 achieved concerning the interstitial carbon mobility (PRB 82, 094110
164 (2010)) utilizing the constrained relaxation technique. Thus, obtained
165 migration paths are assumed to be valid without investigating the
166 vibrational modes of every single supposed saddle point configuration.
167
168 For clarity we added a statement that, of course, the true minimum
169 energy path may still be missed.
170
171 > 5. I have some serious reservations about the methodology
172 > employed in the MD calculations. The values given for the basic
173 > stabilities and migration energies in some cases disagree
174 > radically with those calculated by VASP, which I would argue
175 > (despite 4 above) to be the more reliable values. The main
176
177 Indeed, discrepancies exist. However, both methods predict the C-Si
178 100 DB configuration to be the ground-state structure.  The
179 underestimated energy of formation of substitutional C for the EA
180 potential does not pose a problem in the present context. Since we
181 deal with a perfect Si crystal and the number of particles is
182 conserved, the creation of substitutional C is accompanied by the
183 creation of a Si interstitial. The formation energies of the different
184 structures of an additional C atom incorporated into otherwise perfect
185 Si shows the same ground state, i.e. the C-Si 100 DB structure, for
186 classical potential as well as ab initio calculations.
187
188 This is discussed in full detail in section V in the combined
189 manuscript.
190
191 > problems is the huge over-estimate of the C interstitial
192 > migration energy (a process which is at the heart of the
193 > simulations) using the potential used in the paper. I am not
194 > convinced that the measures they take to circumvent the problems
195 > in the method do not introduce further uncertainties, and I would
196 > need a bit more convincing that the results are actually valid.
197
198 We hope to be able to convince by responding to the following
199 statement of the referee.
200
201 > The authors' circumvention of this is to do the simulations at
202 > much heightened temperatures.  However, this only gives a good
203 > model of the system if all cohesive and migration energies are
204 > over-estimated by a similar factor, which is demonstratably
205 > untrue in this case. For this reason, despite the reputation and
206 > previous work with Tersoff (and similar) potentials, the results
207 > need a critical scrutiny, which I am not very convinced by in
208 > this case.
209
210 There is not necessarily a correlation of the cohesive and migration
211 energies. You can always add a constant to the cohesive energies of
212 respective structures. It is the difference in the cohesive energies
213 of structures within the migration path, which determines the
214 migration barrier.
215
216 In fact, cohesive energies are most often well described by the
217 classical potentials since these are most often used to fit the
218 potential parameters.
219
220 The overestimated migration barrier, however, is due to the short
221 range character of the potential, which drops the interaction to
222 zero within the first and next neighbor distance using a special
223 cut-off function as explained in PRB 76, 224103 (2007). The
224 overestimated barrier and slightly different pathway (however,
225 starting and final configuration/orientation agree) is indeed 
226 demonstrated for the carbon interstitial within the present study.
227 Since the reason of overestimation is inherent to the short range
228 potential, migration pathways among other configurations are
229 likewise overestimated.
230
231 Since most of the defect structures show atomic distances below the
232 critical distance, for which the cut-off function is taking effect,
233 the respective formation energies are quite well described, too (at
234 least they are not necessarily overestimated in the same way).
235
236 Thus, increased temperatures result in an increased probability of
237 transition. Obviously, this enables the structural transformation
238 into energetically less stable structures of substitutional carbon and
239 interstitial silicon that are observed in the high temperature
240 simulations. Being in nice agreement with experimental findings, these
241 results suggest the usage of increased temperatures to constitute a
242 necessary condition to deviate the system out of the ground state as
243 it is the case in the ion beam synthesis process.
244
245 A respective statement and a more detailed comparison with experiment
246 was added to the combined version of the manuscript.
247
248 Again, we would like to repeat the arguments that legitimate the usage
249 of increased temperatures although cohesive and formational energies
250 are not ovrestimated in the same way than the migration barriers.
251 While the properties of some structures near the equilibrium position
252 are well described, the above mentioned effects increase for
253 non-equilibrium structures and dynamics. Thus, for instance, it is not
254 surprising that short range potentials show overestimated melting
255 temperatures. This is not only true for the EA but also (to an even
256 larger extent) for Tersoff potentials, one of the most widely used
257 classical potentials for the Si/C system. The fact that the melting
258 temperature is drastically overestimated although the cohesive
259 energies are nicely reproduced indicates that there is no reason why
260 the cohesive and formational energies should be overestimated to the
261 same extent in order to legitimate the increase in temperature to
262 appropriately consider the overestimated barrier heights for
263 diffusion.
264
265 Indeed the cut-off effect increases if the system is deviated from
266 equilibrium. Thus, to mimic IBS, a process far from equilibrium,
267 increased temperatures are exceptionally necessary if short range
268 potentials are utilized.
269
270
271 --------------- Summary of changes ----------------
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