schmidt changes
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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 yours and the referee's suggestion to merge the
24 two manuscripts in a single comprehensive manuscript. Also, according
25 to the referee's suggestions, some points were clarified and explained
26 in more detail.
27
28 Please find below the summary of changes and a detailed response to
29 the recommendations of the referee.
30
31 Some arguments here were already put forward in our previous reply and
32 are repeated for the sake of clarity. We would be glad to comment at
33 length on further upcoming, more detailed questions.
34
35 Sincerely,
36
37 Frank Zirkelbach
38
39
40 --------------- Response to recommendations ----------------
41
42 > I am not happy with these two papers for a multitude of reasons,
43 > and I recommend that the authors rewrite them as a single longer
44 > paper, to eliminate the criticism of serial publication. I do not
45 > accept the authors argument that they should be two papers ­ they
46 > address the same issues, using the same methods. If they were to
47 > be split into two papers, it would be one for the VASP
48 > calculations, and one for the MD ­ this is not how I suggest you
49 > do it, though.
50
51 We now combined the two manuscripts to a single comprehensive one.
52
53 > do it, though. First, though, the following issues should be
54 > addressed (some are simply pasted from my previous reviews, where
55 > I feel that the authors have ignored them, or not responded
56 > adequately).
57 >
58 > 1. I feel that the authors are a bit too convinced by their own
59 > calculations.  They do not state the error bars that would be
60 > expected for calculations like this +/- 0.2 eV would be a very
61 > optimistic estimate, I suggest. That being so, many of their
62 > conclusions on which structure or migration routes are most
63 > likely start to look rather less certain.
64
65 In literature, very often, differences less than 0.2 eV are obtained
66 in DFT studies and respective conclusions are derived. For instance,
67 differences in the energy of formation ranging from 0.05 - 0.12 eV are
68 considered significant enough to conclude on the energetically most
69 favorable intrinsic defect configurations in Si (PRB 68, 235205
70 (2003); PRL 83, 2351 (1999)).  This is due to the fact that existing
71 errors are most probably of the systematic rather than the random
72 type. The error in the estimate of the cohesive energy is canceled out
73 since it is likewise wrong in the defect as in the bulk configuration,
74 which are substracted in the expression of the defect formation
75 energy. Even if the defect formation energy is overestimated due to a
76 too small size of the supercell resulting in a non-zero interaction of
77 the defect with its images, this is likewise true for other defects.
78 Although the actual value might be wrong, observed differences in
79 energy, thus, allow to draw conlcusions on the stability of defect
80 configurations. This is also valid for diffusion barriers, which are
81 given by differences in energy of different structures.
82 In fact, differences of 0.2 eV in DFT calculations are considered
83 insignificant when being compared to experimental results or data of
84 other ab initio studies. However, the observed differences in energy
85 within our systematic DFT study are considered reliable.
86
87 > 2. Why is 216 atoms a large enough supercell - many defect
88 > properties are known to converge very slowly with supercell size.
89
90 Of course, choosing a supercell containing 216 atoms constitutes a
91 tradeoff. It is considered the optimal choice with respect to
92 computational efficiency and accuracy.
93
94 We would like to point out that, both, single defects as well as
95 combinations of two defects were investigated in such supercells in
96 successive calculations.
97
98 For single defects, the size of the supercell should be sufficient.
99 This is shown in PRB 58, 1318 (1998) predicting convergence of the
100 vacancy in silicon - the defect assumed to be most critical due to
101 the flatness of the total energy surface as a function of the ionic
102 coordinates - for supercells containing more than 128 atomic sites,
103 where the defect formation energy is already well estimated using
104 smaller supercells of 64 atomic sites. Thus, convergence of the
105 formation energies of single defects with respect to the size of the
106 supercell is assumed.
107
108 A repsective statement was added (Change 3).
109
110 > They appear to be separating defects by as large a distance as
111 > can be accommodated in the supercell to approximate the isolated
112 > defects, but then they are only separated by a few lattice
113 > spacings from a whole array of real and image defects ­ how does
114 > that compare with taking the energies of each defect in a
115 > supercell.
116
117 The calculations criticized by the referee did not aim at the
118 properties of isolated, non-intertacting defects, but rather at the
119 defect-defect interaction. Single defects were modeled in separate
120 simulation runs. However, we did find that for increasing defect
121 distances, configurations appear, which converge to the energetics of
122 two isolated defects. This is indicated by the (absolute value of the)
123 binding energy, which is approaching zero with increasing distance.
124 From this, we conclude a decrease in interaction, which is already
125 observable for defect separation distances accessible in our
126 simulations. Combinations of defects with similar distances were
127 already successfully modeled in a supercell containing 216 atoms as
128 described in PRB 66, 195214 (2002).
129
130 % We would like to remind the referee that the properties of isolated,
131 % non-intertacting defects were modeled in separate simulation runs.  It
132 % is not our purpose to separate defects by a large distance in order to
133 % approximate the situation of isolated defects.  We are rather
134 % interested in interacting defects. However, we did find that for
135 % increasing defect distances, configurations appear, which converge to
136 % the energetics of two isolated defects. This is indicated by the
137 % (absolute value of the) binding energy, which is approaching zero with
138 % increasing distance.  From this, we conclude a decrease in
139 % interaction, which is already observable for defect separation
140 % distances accessible in our simulations. Combinations of defects with
141 % similar distances were already successfully modeled in a supercell
142 % containing 216 atoms as described in PRB 66, 195214 (2002).
143
144 An explanation of the binding energy and the relation to the
145 interaction of defects was added (Change 8).
146
147 > 3. Constant pressure solves some problems, but creates others ­
148 > is it really a sensible model of implantation? What differences
149 > are seen for constant volume calculations (on a few simple
150 > examples, say)?
151
152 In experiment, substrate swelling is observed for high-dose carbon
153 implantation into silicon. Indeed, for a single defect, the change in
154 volume is less than 0.2% in simulation. Due to this, results of single
155 defects within an isothermal-isobaric simulation are not expected to
156 differ drastically to results of constant volume simulations. Based on
157 the experimentally observed change in volume for high-dose carbon
158 implantations, however, the respective relaxation is allowed for in
159 simulation for both, single defect calulations as well as the high
160 carbon concentration simulations.
161
162 A respective statement was added to the methodology section
163 (Change 4).
164
165 > 4. What method do they use to determine migration paths? How can
166 > they convince us that the calculations cover all possible
167 > migrations paths ­ that is, the paths they calculate are really
168 > the lowest energy ones?  This is a major issue ­ there are a
169 > number of methods used in the literature to address it ­ are the
170 > authors aware of them? Have they used one of them?
171
172 The constrained relaxation technique is used to determine migration
173 pathways. The method is named and a reference is given in the
174 methodology section. The method not necessarily unveils the lowest
175 energy migration path. The supposed saddle point structure needs to be
176 attested by investigating the vibrational modes. However, reasonable
177 results are obtained for the specific system. In fact, so far, the
178 best quantitative agreement with experimental findings has been
179 achieved concerning the interstitial carbon mobility (PRB 82, 094110
180 (2010)) utilizing the constrained relaxation technique. Thus, obtained
181 migration paths are assumed to be valid without investigating the
182 vibrational modes of every single supposed saddle point configuration.
183
184 For clarity we added a statement that, of course, the true minimum
185 energy path may still be missed (Change 7).
186
187 > 5. I have some serious reservations about the methodology
188 > employed in the MD calculations. The values given for the basic
189 > stabilities and migration energies in some cases disagree
190 > radically with those calculated by VASP, which I would argue
191 > (despite 4 above) to be the more reliable values. The main
192
193 Indeed, discrepancies exist. However, both methods predict the C-Si
194 100 DB configuration to be the ground-state structure.  The
195 underestimated energy of formation of substitutional C for the EA
196 potential does not pose a problem in the present context. Since we
197 deal with a perfect Si crystal and the number of particles is
198 conserved, the creation of substitutional C is accompanied by the
199 creation of a Si interstitial. The formation energies of the different
200 structures of an additional C atom incorporated into otherwise perfect
201 Si shows the same ground state, i.e. the C-Si 100 DB structure, for
202 classical potential as well as ab initio calculations.
203
204 This is discussed in full detail in section V in the combined
205 manuscript.
206
207 > problems is the huge over-estimate of the C interstitial
208 > migration energy (a process which is at the heart of the
209 > simulations) using the potential used in the paper. I am not
210 > convinced that the measures they take to circumvent the problems
211 > in the method do not introduce further uncertainties, and I would
212 > need a bit more convincing that the results are actually valid.
213
214 We hope to be able to convince by responding to the following
215 statement of the referee.
216
217 > The authors' circumvention of this is to do the simulations at
218 > much heightened temperatures.  However, this only gives a good
219 > model of the system if all cohesive and migration energies are
220 > over-estimated by a similar factor, which is demonstratably
221 > untrue in this case. For this reason, despite the reputation and
222 > previous work with Tersoff (and similar) potentials, the results
223 > need a critical scrutiny, which I am not very convinced by in
224 > this case.
225
226 There is not necessarily a correlation of the cohesive and migration
227 energies. You can always add a constant to the cohesive energies of
228 respective structures. It is the difference in the cohesive energies
229 of structures within the migration path, which determines the
230 migration barrier.
231
232 In fact, cohesive energies are most often well described by the
233 classical potentials since these are most often used to fit the
234 potential parameters.
235
236 The overestimated migration barrier, however, is due to the short
237 range character of the potential, which drops the interaction to
238 zero within the first and next neighbor distance using a special
239 cut-off function as explained in PRB 76, 224103 (2007). The
240 overestimated barrier and slightly different pathway (however,
241 starting and final configuration/orientation agree) is indeed 
242 demonstrated for the carbon interstitial within the present study.
243 Since the reason of overestimation is inherent to the short range
244 potential, migration pathways among other configurations are
245 likewise overestimated.
246
247 Since most of the defect structures show atomic distances below the
248 critical distance, for which the cut-off function is taking effect,
249 the respective formation energies are quite well described, too (at
250 least they are not necessarily overestimated in the same way).
251
252 Thus, increased temperatures result in an increased probability of
253 transition. Obviously, this enables the structural transformation
254 into energetically less stable structures of substitutional carbon and
255 interstitial silicon that are observed in the high temperature
256 simulations. Being in nice agreement with experimental findings, these
257 results suggest the usage of increased temperatures to constitute a
258 necessary condition to deviate the system out of the ground state as
259 it is the case in the ion beam synthesis process.
260
261 A respective statement and a more detailed comparison with experiment
262 was added to the combined version of the manuscript (Change 22).
263
264 Again, we would like to repeat the arguments that legitimate the usage
265 of increased temperatures although cohesive and formational energies
266 are not ovrestimated in the same way than the migration barriers.
267 While the properties of some structures near the equilibrium position
268 are well described, the above mentioned effects increase for
269 non-equilibrium structures and dynamics. Thus, for instance, it is not
270 surprising that short range potentials show overestimated melting
271 temperatures. This is not only true for the EA but also (to an even
272 larger extent) for Tersoff potentials, one of the most widely used
273 classical potentials for the Si/C system. The fact that the melting
274 temperature is drastically overestimated although the cohesive
275 energies are nicely reproduced indicates that there is no reason why
276 the cohesive and formational energies should be overestimated to the
277 same extent in order to legitimate the increase in temperature to
278 appropriately consider the overestimated barrier heights for
279 diffusion.
280
281 Indeed, the cut-off effect increases if the system is driven away from
282 the equilibrium, such as it is the case in IBS. Since this is to some
283 extent cured by increasing the simulation temperature, the work-around
284 is particularly helpful for short range potentials.
285
286
287 --------------- Summary of changes ----------------
288
289 Since the new manuscript is a combination of manuscripts BC11912 and
290 BA11443, the following summary of changes mainly contains the
291 construction of the new manuscript by text blocks of previous
292 manuscripts. Please let me know if a more detailed summary of changes
293 is required.
294
295 The title of the new manuscript is that of BC11912. Thus, stated
296 changes apply to this manuscript.
297
298 Description:
299 + = line added
300 - = line removed
301
302 Change 1: added/merged parts of 'Abstract' of BA11443
303
304  from:  These aime to clarify ...
305  until: Finally, results of the ...
306
307 Change 2: added/merged parts of 'Introduction' of BA11443
308
309  from:  A lot of theoretical work has been done ...
310  until: However, investigations are, first of all, ... 
311
312  from:  By first-principles atomistic simulations ...
313  until: Furthermore, highly accurate quantum-mechanical ...
314
315 Change 3: convergence of BZ sampling and size of the supercell
316
317 -Sampling of the Brillouin zone was restricted to the $\Gamma$-point.
318 -The defect structures and the migration paths have been modeled in
319  cubic supercells containing 216 Si atoms.
320 +To reduce the computational effort sampling of the Brillouin zone was
321  restricted to the $\Gamma$-point, which has been shown to yield
322  reliable results\cite{dal_pino93}.
323 +The defect structures and the migration paths were modelled in cubic
324  supercells with a side length of \unit[1.6]{nm} containing $216$ Si
325  atoms.
326 +Formation energies and structures are reasonably converged with
327  respect to the system size.
328
329 Change 4: only small changes in volume
330
331 +The observed changes in volume were less than \unit[0.2]{\%} of the
332  volume indicating a rather low dependence of the results on the
333  ensemble choice.
334
335 Change 5: name algorithm used for structural relaxation
336           in DFT calculations
337  
338 +Ionic relaxation was realized by the conjugate gradient algorithm.
339
340 Change 6: name reason for reservoir choice
341
342 +This corresponds to the definition utilized in another study on C
343  defects in Si\cite{dal_pino93} that we compare our results to. 
344
345 Change 7: CRT not necessarily predicts the minimum energy path
346
347 +While not guaranteed to find the true minimum energy path, the method
348  turns out to identify reasonable pathways for the investigated
349  structures.
350
351 Change 8: added definition and explanation of the binding energy to
352           the 'Methodology' section
353
354  from:  The binding energy of a defect pair ...
355  until: The interaction strength, i.e. the ...
356
357 Change 9: removed 'Results' section
358
359 Change 10: added 'Comparison of classical potential and
360            first-principles methods' section
361
362 +In a first step, quantum-mechanical calculations of defects in Si and
363  respective diffusion processes are compared to classical potential
364  simulations as well as to results from literature.
365 +Shortcomings of the analytical potential approach are revealed and
366  its applicability is discussed.
367
368 Change 11: comprehensive Table including all defects and methods
369
370 Change 12: added text on unstable hexagonal Si defect for classical
371            potentials - necessary due to combination of manuscripts!
372
373  from:  The hexagonal configuration ...
374  until: While not completely rendering impossible ...
375
376 Change 13: added configurations that require spin polarized
377            calculations
378
379  from:  Instead of giving an explicit value ...
380  until: No other configuration, within ...
381
382 Change 14: 'Carbon mobility' section of BC11912 mapped to 'Mobility of
383            carbon defects' section
384
385 Change 15: added 'Quantum-mechanical investigations of defect
386            combinations and related diffusion processes' section
387            corresponding to 'Results' section of BA11443
388
389 Change 16: added 'Mobility of silicon defects" section from III A of
390            BA11443
391
392 Change 17: added 'Summary' section from 'Discussion' section of
393            BA11443
394
395 Change 18: relocate 'Excursus: Competition of C_i and C_s-Si_i' section
396            of BC11912
397
398 Change 19: section 'Classical potential calculations on the SiC
399            precipitation in Si' and respective glue text added
400
401  from:  The MD technique is used to gain ...
402  until: The approach is follwed and, ...
403  
404  content corresponds to 'Results' section of BC11912
405
406 Change 20: 'Summary' section added containing parts of 'Discussion and
407             summary' section of BC11912
408
409 Change 21: 'Conclusions' section added containing parts of the
410            'Discussion' section of BA11443 and the 'Discussion and
411            summary' section of BC11912
412
413 Change 22: more detailed comparison to experiment added
414
415  starting from:  Moreover, results of the MD simulations ...
416
417 Change 23: 'Summary' section added containing parts of the 'Summary'
418            section of BA11443 and the 'Discussion and summary' section
419            of BC11912
420