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[lectures/latex.git] / posic / publications / sic_prec_reply02.txt
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 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 Some arguments here were already put forward in our previous reply and
30 are repeated for the sake of clarity. We would be glad to comment at
31 length on further upcoming, more detailed questions.
32
33 Sincerely,
34
35 Frank Zirkelbach
36
37
38 --------------- Response to recommendations ----------------
39
40 > I am not happy with these two papers for a multitude of reasons,
41 > and I recommend that the authors rewrite them as a single longer
42 > paper, to eliminate the criticism of serial publication. I do not
43 > accept the authors argument that they should be two papers ­ they
44 > address the same issues, using the same methods. If they were to
45 > be split into two papers, it would be one for the VASP
46 > calculations, and one for the MD ­ this is not how I suggest you
47 > do it, though.
48
49 We now combined the two manuscripts to a single comprehensive one.
50
51 > do it, though. First, though, the following issues should be
52 > addressed (some are simply pasted from my previous reviews, where
53 > I feel that the authors have ignored them, or not responded
54 > adequately).
55 >
56 > 1. I feel that the authors are a bit too convinced by their own
57 > calculations.  They do not state the error bars that would be
58 > expected for calculations like this +/- 0.2 eV would be a very
59 > optimistic estimate, I suggest. That being so, many of their
60 > conclusions on which structure or migration routes are most
61 > likely start to look rather less certain.
62
63 In literature, very often, differences less than 0.2 eV are obtained
64 in DFT studies and respective conclusions are derived. For instance,
65 differences in the energy of formation ranging from 0.05 - 0.12 eV are
66 considered significant enough to conclude on the energetically most
67 favorable intrinsic defect configurations in Si (PRB 68, 235205
68 (2003); PRL 83, 2351 (1999)).  This is due to the fact that existing
69 errors are most probably of the systematic rather than the random
70 type. The error in the estimate of the cohesive energy is canceled out
71 since it is likewise wrong in the defect as in the bulk configuration,
72 which are substracted in the expression of the defect formation
73 energy. Even if the defect formation energy is overestimated due to a
74 too small size of the supercell resulting in a non-zero interaction of
75 the defect with its images, this is likewise true for other defects.
76 Although the actual value might be wrong, observed differences in
77 energy, thus, allow to draw conlcusions on the stability of defect
78 configurations. This is also valid for diffusion barriers, which are
79 given by differences in energy of different structures.
80 In fact, differences of 0.2 eV in DFT calculations are considered
81 insignificant when being compared to experimental results or data of
82 other ab initio studies. However, the observed differences in energy
83 within our systematic DFT study are considered reliable.
84
85 > 2. Why is 216 atoms a large enough supercell - many defect
86 > properties are known to converge very slowly with supercell size.
87
88 Of course, choosing a supercell containing 216 atoms constitutes a
89 tradeoff. It is considered the optimal choice with respect to
90 computational efficiency and accuracy.
91
92 We would like to point out that, both, single defects as well as
93 combinations of two defects were investigated in such supercells in
94 successive calculations.
95
96 For single defects, the size of the supercell should be sufficient.
97 This is shown in PRB 58, 1318 (1998) predicting convergence of the
98 vacancy in silicon - the defect assumed to be most critical due to
99 the flatness of the total energy surface as a function of the ionic
100 coordinates - for supercells containing more than 128 atomic sites,
101 where the defect formation energy is already well estimated using
102 smaller supercells of 64 atomic sites. Thus, convergence of the
103 formation energies of single defects with respect to the size of the
104 supercell is assumed.
105
106 A repsective statement was added (Change 3).
107
108 > They appear to be separating defects by as large a distance as
109 > can be accommodated in the supercell to approximate the isolated
110 > defects, but then they are only separated by a few lattice
111 > spacings from a whole array of real and image defects ­ how does
112 > that compare with taking the energies of each defect in a
113 > supercell.
114
115 The calculations criticized by the referee did not aim at the
116 properties of isolated, non-intertacting defects, but rather at the
117 defect-defect interaction. Single defects were modeled in separate
118 simulation runs. However, we did find that for increasing defect
119 distances, configurations appear, which converge to the energetics of
120 two isolated defects. This is indicated by the (absolute value of the)
121 binding energy, which is approaching zero with increasing distance.
122 From this, we conclude a decrease in interaction, which is already
123 observable for defect separation distances accessible in our
124 simulations. Combinations of defects with similar distances were
125 already successfully modeled in a supercell containing 216 atoms as
126 described in PRB 66, 195214 (2002).
127
128 % We would like to remind the referee that the properties of isolated,
129 % non-intertacting defects were modeled in separate simulation runs.  It
130 % is not our purpose to separate defects by a large distance in order to
131 % approximate the situation of isolated defects.  We are rather
132 % interested in interacting defects. However, we did find that for
133 % increasing defect distances, configurations appear, which converge to
134 % the energetics of two isolated defects. This is indicated by the
135 % (absolute value of the) binding energy, which is approaching zero with
136 % increasing distance.  From this, we conclude a decrease in
137 % interaction, which is already observable for defect separation
138 % distances accessible in our simulations. Combinations of defects with
139 % similar distances were already successfully modeled in a supercell
140 % containing 216 atoms as described in PRB 66, 195214 (2002).
141
142 An explanation of the binding energy and the relation to the
143 interaction of defects was added (Change 8).
144
145 > 3. Constant pressure solves some problems, but creates others ­
146 > is it really a sensible model of implantation? What differences
147 > are seen for constant volume calculations (on a few simple
148 > examples, say)?
149
150 % Differences are supposed to be negligible small since only small
151 % changes in volume are detected. However, in experiment, substrate
152 % swelling is observed. Thus, to allow for full relaxation, simulations
153 % were performed in the NpT ensemble. However, for the above-mentioned
154 % reason, no fundamental differences are expected for single defect
155 % configurations in the canonical and isothermal-isobaric ensemble with
156 % respect to energy.
157
158 In experiment, substrate swelling is observed for high-dose carbon
159 implantation into silicon. Indeed, for a single defect, the change in
160 volume is less than 0.2% in simulation. Due to this, results of single
161 defects within an isothermal-isobaric simulation are expected to not
162 drastically differ to results of constant volume simulations. Based on the
163 experimentally observed change in volume for high-dose carbon
164 implantations, however, the respective relaxation is allowed for in
165 simulation for both, single defect calulations as well as the high carbon
166 concentration simulations.
167
168 A respective statement was added to the methodology section
169 (Change 4).
170
171 > 4. What method do they use to determine migration paths? How can
172 > they convince us that the calculations cover all possible
173 > migrations paths ­ that is, the paths they calculate are really
174 > the lowest energy ones?  This is a major issue ­ there are a
175 > number of methods used in the literature to address it ­ are the
176 > authors aware of them? Have they used one of them?
177
178 The constrained relaxation technique is used to determine migration
179 pathways. The method is named and a reference is given in the
180 methodology section. The method not necessarily unveils the lowest
181 energy migration path. The supposed saddle point structure needs to be
182 attested by investigating the vibrational modes. However, reasonable
183 results are obtained for the specific system. In fact, so far, the
184 best quantitative agreement with experimental findings has been
185 achieved concerning the interstitial carbon mobility (PRB 82, 094110
186 (2010)) utilizing the constrained relaxation technique. Thus, obtained
187 migration paths are assumed to be valid without investigating the
188 vibrational modes of every single supposed saddle point configuration.
189
190 For clarity we added a statement that, of course, the true minimum
191 energy path may still be missed (Change 7).
192
193 > 5. I have some serious reservations about the methodology
194 > employed in the MD calculations. The values given for the basic
195 > stabilities and migration energies in some cases disagree
196 > radically with those calculated by VASP, which I would argue
197 > (despite 4 above) to be the more reliable values. The main
198
199 Indeed, discrepancies exist. However, both methods predict the C-Si
200 100 DB configuration to be the ground-state structure.  The
201 underestimated energy of formation of substitutional C for the EA
202 potential does not pose a problem in the present context. Since we
203 deal with a perfect Si crystal and the number of particles is
204 conserved, the creation of substitutional C is accompanied by the
205 creation of a Si interstitial. The formation energies of the different
206 structures of an additional C atom incorporated into otherwise perfect
207 Si shows the same ground state, i.e. the C-Si 100 DB structure, for
208 classical potential as well as ab initio calculations.
209
210 This is discussed in full detail in section V in the combined
211 manuscript.
212
213 > problems is the huge over-estimate of the C interstitial
214 > migration energy (a process which is at the heart of the
215 > simulations) using the potential used in the paper. I am not
216 > convinced that the measures they take to circumvent the problems
217 > in the method do not introduce further uncertainties, and I would
218 > need a bit more convincing that the results are actually valid.
219
220 We hope to be able to convince by responding to the following
221 statement of the referee.
222
223 > The authors' circumvention of this is to do the simulations at
224 > much heightened temperatures.  However, this only gives a good
225 > model of the system if all cohesive and migration energies are
226 > over-estimated by a similar factor, which is demonstratably
227 > untrue in this case. For this reason, despite the reputation and
228 > previous work with Tersoff (and similar) potentials, the results
229 > need a critical scrutiny, which I am not very convinced by in
230 > this case.
231
232 There is not necessarily a correlation of the cohesive and migration
233 energies. You can always add a constant to the cohesive energies of
234 respective structures. It is the difference in the cohesive energies
235 of structures within the migration path, which determines the
236 migration barrier.
237
238 In fact, cohesive energies are most often well described by the
239 classical potentials since these are most often used to fit the
240 potential parameters.
241
242 The overestimated migration barrier, however, is due to the short
243 range character of the potential, which drops the interaction to
244 zero within the first and next neighbor distance using a special
245 cut-off function as explained in PRB 76, 224103 (2007). The
246 overestimated barrier and slightly different pathway (however,
247 starting and final configuration/orientation agree) is indeed 
248 demonstrated for the carbon interstitial within the present study.
249 Since the reason of overestimation is inherent to the short range
250 potential, migration pathways among other configurations are
251 likewise overestimated.
252
253 Since most of the defect structures show atomic distances below the
254 critical distance, for which the cut-off function is taking effect,
255 the respective formation energies are quite well described, too (at
256 least they are not necessarily overestimated in the same way).
257
258 Thus, increased temperatures result in an increased probability of
259 transition. Obviously, this enables the structural transformation
260 into energetically less stable structures of substitutional carbon and
261 interstitial silicon that are observed in the high temperature
262 simulations. Being in nice agreement with experimental findings, these
263 results suggest the usage of increased temperatures to constitute a
264 necessary condition to deviate the system out of the ground state as
265 it is the case in the ion beam synthesis process.
266
267 A respective statement and a more detailed comparison with experiment
268 was added to the combined version of the manuscript (Change 22).
269
270 Again, we would like to repeat the arguments that legitimate the usage
271 of increased temperatures although cohesive and formational energies
272 are not ovrestimated in the same way than the migration barriers.
273 While the properties of some structures near the equilibrium position
274 are well described, the above mentioned effects increase for
275 non-equilibrium structures and dynamics. Thus, for instance, it is not
276 surprising that short range potentials show overestimated melting
277 temperatures. This is not only true for the EA but also (to an even
278 larger extent) for Tersoff potentials, one of the most widely used
279 classical potentials for the Si/C system. The fact that the melting
280 temperature is drastically overestimated although the cohesive
281 energies are nicely reproduced indicates that there is no reason why
282 the cohesive and formational energies should be overestimated to the
283 same extent in order to legitimate the increase in temperature to
284 appropriately consider the overestimated barrier heights for
285 diffusion.
286
287 Indeed, the cut-off effect increases if the system is driven away from
288 the equilibrium, such as it is the case in IBS. Since this is to some
289 extent cured by increasing the simulation temperature, the work-around
290 is particularly helpful for short range potentials.
291
292
293 --------------- Summary of changes ----------------
294
295 Since the new manuscript is a combination of manuscripts BC11912 and
296 BA11443, the following summary of changes mainly contains the
297 construction of the new manuscript by text blocks of previous
298 manuscripts. Please let me know if a more detailed summary of changes
299 is required.
300
301 The title of the new manuscript is that of BC11912. Thus, stated
302 changes apply to this manuscript.
303
304 Description:
305 + = line added
306 - = line removed
307
308 Change 1: added/merged parts of the Abstract of BA11443
309
310  from:  These aime to clarify ...
311  until: Finally, results of the ...
312
313 Change 2: added/merged parts of the Introduction of BA11443
314
315  from:  A lot of theoretical work has been done ...
316  until: However, investigations are, first of all, ... 
317
318  from:  By first-principles atomistic simulations ...
319  until: Furthermore, highly accurate quantum-mechanical ...
320
321 Change 3: convergence of BZ sampling and size of the supercell
322
323 -Sampling of the Brillouin zone was restricted to the $\Gamma$-point.
324 -The defect structures and the migration paths have been modeled in
325  cubic supercells containing 216 Si atoms.
326 +To reduce the computational effort sampling of the Brillouin zone was
327  restricted to the $\Gamma$-point, which has been shown to yield
328  reliable results\cite{dal_pino93}.
329 +The defect structures and the migration paths were modelled in cubic
330  supercells with a side length of \unit[1.6]{nm} containing $216$ Si
331  atoms.
332 +Formation energies and structures are reasonably converged with
333  respect to the system size.
334
335 Change 4: only small changes in volume
336
337 +The observed changes in volume were less than \unit[0.2]{\%} of the
338  volume indicating a rather low dependence of the results on the
339  ensemble choice.
340
341 Change 5: name algorithm used for structural relaxation
342           in DFT calculations
343  
344 +Ionic relaxation was realized by the conjugate gradient algorithm.
345
346 Change 6: name reason for reservoir choice
347
348 +This corresponds to the definition utilized in another study on C
349  defects in Si\cite{dal_pino93} that we compare our results to. 
350
351 Change 7: CRT not necessarily predicts the minimum energy path
352
353 +While not guaranteed to find the true minimum energy path, the method
354  turns out to identify reasonable pathways for the investigated
355  structures.
356
357 Change 8: added definition and explanation of the binding energy to
358           the methodology section
359
360  from:  The binding energy of a defect pair ...
361  until: The interaction strength, i.e. the ...
362
363 Change 9: removed Results section
364
365 Change 10: added 'Comparison of classical potential and
366            first-principles methods' section
367
368 +In a first step, quantum-mechanical calculations of defects in Si and
369  respective diffusion processes are compared to classical potential
370  simulations as well as to results from literature.
371 +Shortcomings of the analytical potential approach are revealed and
372  its applicability is discussed.
373
374 Change 11: comprehensive Table including all defects and methods
375
376 Change 12: added text on unstable hexagonal Si defect for classical
377            potentials - necessary due to combination of manuscripts!
378
379  from:  The hexagonal configuration ...
380  until: While not completely rendering impossible ...
381
382 Change 13: added configurations that require spin polarized
383            calculations
384
385  from:  Instead of giving an explicit value ...
386  until: No other configuration, within ...
387
388 Change 14: 'Carbon mobility' section of BC11912 mapped to 'Mobility of
389            carbon defects' section
390
391 Change 15: added 'Quantum-mechanical investigations of defect
392            combinations and related diffusion processes' section
393            corresponding to 'Results' section of BA11443
394
395 Change 16: added 'Mobility of silicon defects" section from III A of
396            BA11443
397
398 Change 17: added 'Summary' section from 'Discussion' section of
399            BA11443
400
401 Change 18: relocate 'Excursus: Competition of C_i and C_s-Si_i' section
402            of BC11912
403
404 Change 19: section 'Classical potential calculations on the SiC
405            precipitation in Si' and respective glue text added
406
407  from:  The MD technique is used to gain ...
408  until: The approach is follwed and, ...
409  
410  content corresponds to 'Results' section of BC11912
411
412 Change 20: 'Summary' section added containing parts of 'Discussion and
413             summary' section of BC11912
414
415 Change 21: 'Conclusions' section added containing parts of the
416            'Discussion' section of BA11443 and the 'Discussion and
417            summary' section of BC11912
418
419 Change 22: more detailed comparison to experiment added
420
421  starting from:  Moreover, results of the MD simulations ...
422
423 Change 23: 'Summary' section added containing parts of the 'Summary'
424            section of BA11443 and the 'Discussion and summary' section
425            of BC11912
426